L'heli és un gas incolor, inodor i insípid. No forma molècules, és a dir, està constituït per àtoms simples d'heli, i és la segona substància (després de l'hidrogen) més lleugera que es coneix.

Pot considerar-se que no té cap activitat química. L'única capa d'electrons està plena, cosa que li dóna força estabilitat i, per això la seva reacció amb altres elements és summament difícil i els compostos resultants força inestables.

Malgrat tot, s'han detectat molècules de compostos amb el neó, un altre gas noble i amb l'hidrogen, i s'han suggerit altres compostos.

A causa de l'abundància de l'heli a l'univers, l'existència de certes reaccions, encara que siguin rares, podria ser d'importància en la cosmologia.

El 1909 Rutherford va demostrar que les partícules alfa que emetien els compostos radioactius eren, en realitat nuclis d'heli. Aquestes partícules alfa, una vegada produïdes per la substància radioactiva, capten electrons molt ràpidament per convertir-se en àtoms estables d'heli.

La major part de l'heli es queda tancat en els minerals de tori i d'urani, en els quals s'ha format, i s'allibera al tractar aquests minerals amb àcids, tal i com va descobrir Ramsay.

La part que s'escapa del mineral es mescla amb altres gasos, principalment amb l'anomenat gas natural, o passa a l'atmosfera. L'heli no és inflamable, per això va substituir  l'hidrogen en els globus aerostàtics i dirigibles.

En les proximitats del zero absolut l'heli presenta una propietat sorprenent descoberta el 1935 pels científics del laboratori de Kamerlingh-Onnes. Quan l'heli líquid es refreda per sota de 2,2ºK es transforma en l'anomenat heli II, un líquid amb propietats físiques úniques. No té punt de congelació, i la seva viscositat (facilitat per fluir) es fa menor que la del gas (aproximadament una mil·lèsima part). Aquesta propietat, coneguda com superfluïdesa, produeix curiosos fenòmens com l'ascensió del líquid per les parets del recipient que el conté.

Una altra propietat que varia per sota de la citada temperatura és la conductivitat calorífica, que arriba a ser 800 vegades superior a la del coure. Gràcies a aquesta gran facilitat per conduir la calor, una petita variació de temperatura en qualsevol punt de la massa líquida es transmet gairebé instantàniament a tota la massa amb la qual cosa l'ebullició es produeix amb una absoluta quietud, sense la típica formació de bombolles d'aquest procés.

L'heli és el gas més difícil de liquar i és impossible solidificar-lo a la pressió atmosfèrica. Aquestes propietats provoquen que l'heli líquid sigui molt útil com a refrigerant i en el treball experimental, per produir i mesurar temperatures pròximes al zero absolut.

El ³He, l'isòtop més lleuger de l'heli de massa 3, té un punt d'ebullició encara més baix que l'heli ordinari i mostra propietats notablement diferents quan es liqua.