A temperatura necessária para produzir hélio líquido é baixa devido à fraqueza das atrações entre os átomos de hélio. Essas forças interatômicas em hélio são fracas para começar porque o hélio é um gás nobre, mas as atrações interatômicas são reduzidas ainda mais pelos efeitos da mecânica quântica. Estes são significativos no hélio devido à sua baixa massa atômica de cerca de quatro unidades de massa atômica. A energia de ponto zero do hélio líquido é menor se os seus átomos estiverem menos confinados pelos seus vizinhos. Assim, no hélio líquido, sua energia no estado do solo pode diminuir por um aumento natural de sua distância interatômica média. Entretanto, a distâncias maiores, os efeitos das forças interatômicas em hélio são ainda mais fracos.
Por causa das forças interatômicas muito fracas em hélio, o elemento permanece um líquido à pressão atmosférica desde seu ponto de liquefação até o zero absoluto. O hélio líquido solidifica-se apenas sob temperaturas muito baixas e grandes pressões. Em temperaturas abaixo de seus pontos de liquefação, tanto o hélio-4 quanto o hélio-3 passam por transições para superfluidos. (Veja a tabela abaixo.)
Hélio-4 líquido e o hélio-3 raro não são completamente miscíveis. Abaixo de 0,9 kelvin em sua pressão de vapor saturada, uma mistura dos dois isótopos passa por uma separação de fases em um fluido normal (principalmente hélio-3) que flutua sobre um superfluido mais denso consistindo principalmente de hélio-4. Esta separação de fases acontece porque a massa total de hélio líquido pode reduzir sua entalpia termodinâmica pela separação.
A temperaturas extremamente baixas, a fase superfluida, rica em hélio-4, pode conter até 6% de hélio-3 em solução. Isto torna possível o uso em pequena escala do refrigerador de diluição, que é capaz de alcançar temperaturas de alguns milicelvins.
O hélio-4 superfluido tem propriedades substancialmente diferentes do hélio líquido comum.
