Temperatura necesară pentru a produce heliu lichid este scăzută din cauza slăbiciunii atracțiilor dintre atomii de heliu. Aceste forțe interatomice în heliu sunt slabe de la bun început, deoarece heliul este un gaz nobil, dar atracțiile interatomice sunt reduse și mai mult de efectele mecanicii cuantice. Acestea sunt semnificative în cazul heliului din cauza masei sale atomice scăzute, de aproximativ patru unități de masă atomică. Energia punctului zero a heliului lichid este mai mică dacă atomii săi sunt mai puțin confinați de vecinii lor. Prin urmare, în cazul heliului lichid, energia stării de bază poate scădea printr-o creștere naturală a distanței medii interatomice. Cu toate acestea, la distanțe mai mari, efectele forțelor interatomice din heliu sunt și mai slabe.
Din cauza forțelor interatomice foarte slabe din heliu, elementul rămâne un lichid la presiunea atmosferică pe tot drumul de la punctul său de lichefiere până la zero absolut. Heliul lichid se solidifică numai la temperaturi foarte scăzute și la presiuni mari. La temperaturi sub punctele lor de lichefiere, atât heliul 4, cât și heliul 3 suferă tranziții la superfluide. (A se vedea tabelul de mai jos.)
Heliu-4 lichid și rarele heliu-3 nu sunt complet miscibile. Sub 0,9 kelvin la presiunea lor de vapori saturați, un amestec al celor doi izotopi suferă o separare de fază într-un fluid normal (în cea mai mare parte heliu-3) care plutește pe un superfluid mai dens constând în cea mai mare parte din heliu-4. Această separare de fază are loc deoarece masa totală de heliu lichid își poate reduce entalpia termodinamică prin separare.
La temperaturi extrem de scăzute, faza superfluidă, bogată în heliu-4, poate conține până la 6% de heliu-3 în soluție. Acest lucru face posibilă utilizarea la scară mică a frigiderului de diluție, care este capabil să atingă temperaturi de câțiva milikelvins.
Heliul superfluid 4 are proprietăți substanțial diferite de cele ale heliului lichid obișnuit.
