De temperatuur die nodig is om vloeibaar helium te produceren is laag vanwege de zwakte van de aantrekkingskrachten tussen de heliumatomen. Deze interatomaire krachten in helium zijn al zwak omdat helium een edelgas is, maar de interatomaire aantrekkingskrachten worden nog verder verminderd door de effecten van de kwantummechanica. Deze zijn in helium significant vanwege de lage atoommassa van ongeveer vier atomaire massa eenheden. De nulpuntsenergie van vloeibaar helium is lager als de atomen minder door hun buren worden opgesloten. Daarom kan in vloeibaar helium de energie van de grondtoestand afnemen door een natuurlijke toename van de gemiddelde interatomaire afstand. Maar bij grotere afstanden zijn de effecten van de interatomaire krachten in helium nog zwakker.
Omdat de interatomaire krachten in helium zeer zwak zijn, blijft het element bij atmosferische druk vloeibaar, helemaal van het vloeibaarwordingspunt tot het absolute nulpunt. Vloeibaar helium stolt alleen onder zeer lage temperaturen en hoge drukken. Bij temperaturen beneden hun vloeibaarheidspunt gaan zowel helium-4 als helium-3 over in superfluïdum. (Zie de tabel hieronder.)
Liquid helium-4 en het zeldzame helium-3 zijn niet volledig mengbaar. Beneden 0,9 kelvin bij hun verzadigde dampdruk ondergaat een mengsel van de twee isotopen een fasescheiding in een normale vloeistof (meestal helium-3) die drijft op een dichtere superfluïde die voor het grootste deel uit helium-4 bestaat. Deze fasescheiding gebeurt omdat de totale massa van vloeibaar helium zijn thermodynamische enthalpie kan verminderen door afscheiding.
Bij extreem lage temperaturen kan de superfluïde fase, rijk aan helium-4, in oplossing tot 6% helium-3 bevatten. Dit maakt het mogelijk op kleine schaal gebruik te maken van de verdunningskoelkast, die temperaturen van enkele millikelvins kan bereiken.
Superfluïde helium-4 heeft wezenlijk andere eigenschappen dan gewoon vloeibaar helium.
