液体ヘリウムの生成に必要な温度が低いのは、ヘリウム原子間の引力が弱いためである。 ヘリウムは希ガスであるため、この原子間力はもともと弱いのですが、量子力学の効果で原子間力はさらに弱くなります。 ヘリウムの場合、原子質量が4質量単位程度と小さいため、これらが顕著に現れます。 液体ヘリウムは、原子が隣の原子からあまり拘束されないと、ゼロ点エネルギーが小さくなる。 したがって、液体ヘリウムでは、平均原子間距離を自然に大きくすることで、基底状態のエネルギーを小さくすることができる。
ヘリウムの原子間力は非常に弱いので、この元素は液化点から絶対零度までずっと大気圧で液体のままである。 液体ヘリウムは非常に低い温度と高い圧力下でのみ固化します。 ヘリウム4とヘリウム3は、液化点以下の温度で超流動体に転移する。 (下の表参照)
液体ヘリウム-4と希少なヘリウム-3は完全に混和するわけではありません。 飽和蒸気圧で0.9ケルビン以下では、この2つの同位体の混合物は、ヘリウム-4を主とする高密度の超流体の上に浮かぶ通常の流体（ほとんどがヘリウム-3）に相分離する。 この相分離は、液体ヘリウムの全体の質量が分離することによって熱力学的エンタルピーを減らすことができるために起こる。
極低温では、ヘリウム-4に富む超流動相は、溶液中のヘリウム-3を最大6％まで含むことが可能である。 このため、数ミリケルビンの温度に達することができる希釈冷凍機の小規模な使用が可能になる。
超流動ヘリウム4は通常の液体ヘリウムとは大幅に異なる性質を持つ。
液体ヘリウム3および4同位体の相図（脱混合域を示す）で、
超流動ヘリウム4同位体相は、液体ヘリウムと通常の液体ヘリウムとは大幅に異なる性質を持つ。