La temperatura necesaria para producir helio líquido es baja debido a la debilidad de las atracciones entre los átomos de helio. Estas fuerzas interatómicas en el helio son débiles para empezar porque el helio es un gas noble, pero las atracciones interatómicas se reducen aún más por los efectos de la mecánica cuántica. Estas fuerzas son importantes en el helio debido a su baja masa atómica, de unas cuatro unidades de masa atómica. La energía del punto cero del helio líquido es menor si sus átomos están menos confinados por sus vecinos. Por lo tanto, en el helio líquido, su energía en el estado básico puede disminuir por un aumento natural de su distancia interatómica media. Sin embargo, a mayores distancias, los efectos de las fuerzas interatómicas en el helio son aún más débiles.
Debido a la gran debilidad de las fuerzas interatómicas en el helio, el elemento permanece en estado líquido a presión atmosférica desde su punto de licuefacción hasta el cero absoluto. El helio líquido sólo se solidifica bajo temperaturas muy bajas y grandes presiones. A temperaturas inferiores a sus puntos de licuefacción, tanto el helio-4 como el helio-3 experimentan transiciones a superfluidos. (Véase la tabla siguiente.)
El helio-4 líquido y el raro helio-3 no son completamente miscibles. Por debajo de 0,9 kelvin a su presión de vapor saturada, una mezcla de los dos isótopos experimenta una separación de fases en un fluido normal (mayoritariamente helio-3) que flota sobre un superfluido más denso compuesto principalmente por helio-4. Esta separación de fases se produce porque la masa total de helio líquido puede reducir su entalpía termodinámica al separarse.
A temperaturas extremadamente bajas, la fase superfluida, rica en helio-4, puede contener hasta un 6% de helio-3 en solución. Esto hace posible el uso a pequeña escala del refrigerador de dilución, que es capaz de alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvins.
El helio-4 superfluido tiene propiedades sustancialmente diferentes a las del helio líquido ordinario.
