Die Temperatur, die zur Herstellung von flüssigem Helium erforderlich ist, ist niedrig, weil die Anziehungskräfte zwischen den Heliumatomen schwach sind. Diese interatomaren Kräfte sind bei Helium von vornherein schwach, weil Helium ein Edelgas ist, aber die interatomaren Anziehungskräfte werden durch die Effekte der Quantenmechanik noch weiter reduziert. Diese sind bei Helium aufgrund seiner geringen Atommasse von etwa vier atomaren Masseneinheiten von Bedeutung. Die Nullpunktenergie von flüssigem Helium ist geringer, wenn die Atome weniger von ihren Nachbarn eingeengt werden. Daher kann die Grundzustandsenergie von flüssigem Helium durch eine natürliche Vergrößerung des durchschnittlichen Abstands zwischen den Atomen sinken. Bei größeren Abständen sind die Auswirkungen der interatomaren Kräfte in Helium jedoch noch schwächer.
Aufgrund der sehr schwachen interatomaren Kräfte in Helium bleibt das Element bei Atmosphärendruck von seinem Verflüssigungspunkt bis zum absoluten Nullpunkt flüssig. Flüssiges Helium erstarrt nur bei sehr niedrigen Temperaturen und hohem Druck. Bei Temperaturen unterhalb ihres Verflüssigungspunktes gehen sowohl Helium-4 als auch Helium-3 in Supraflüssigkeit über. (Siehe die nachstehende Tabelle.)
Flüssiges Helium-4 und das seltene Helium-3 sind nicht vollständig mischbar. Unterhalb von 0,9 Kelvin bei ihrem Sättigungsdampfdruck kommt es bei einem Gemisch der beiden Isotope zu einer Phasentrennung in eine normale Flüssigkeit (hauptsächlich Helium-3), die auf einem dichteren Superfluid schwimmt, das hauptsächlich aus Helium-4 besteht. Diese Phasentrennung erfolgt, weil die Gesamtmasse des flüssigen Heliums seine thermodynamische Enthalpie durch Trennung verringern kann.
Bei extrem niedrigen Temperaturen kann die superfluide Phase, die reich an Helium-4 ist, bis zu 6% Helium-3 in Lösung enthalten. Dies ermöglicht den Einsatz des Verdünnungskühlschranks im kleinen Maßstab, der Temperaturen von wenigen Millikelvins erreichen kann.
Superfluides Helium-4 hat wesentlich andere Eigenschaften als gewöhnliches flüssiges Helium.
