Helij je kemijski element s atomskim brojem 2, što znači da neutralni atom helija ima dva protona i dva elektrona. Najvažnija kemijska svojstva helija uključuju njegovu atomsku masu, stanje tvari, vrelište i talište te gustoću. Element ima atomsku masu od 4.0026 grama po molu i plin je pri gotovo svim temperaturama i uvjetima tlaka. Gustoća helija je 0.1786 grama po litri na 32°F (0.0°C) i 101.325 kilopaskala (kPa).
Tekući i čvrsti helij mogu postojati samo u uvjetima visokog pritiska ekstremno niskih temperatura. Jedno od neobičnih svojstava helija je da ne može postojati kao krutina ili tekućina pri normalnim tlakovima, čak ni pri ekstremno niskim temperaturama. Pri tlaku od otprilike 360 funti po kvadratnom inču (2.5 megapaskala), prijelaz između tekućine i krutine, odnosno točka taljenja, je -458°F (0.95 Kelvina). Točka vrenja je -452°F (4.22 Kelvina).
Neka svojstva helija čine ga zanimljivim i čestim predmetom proučavanja u kvantnoj mehanici. On je, zbog svog niskog atomskog broja, drugi najjednostavniji atom nakon vodika. Matematički se postupci mogu koristiti za analizu ponašanja subatomskih čestica – protona, elektrona i neutrona – unutar atoma helija. Takve metode, međutim, ne mogu s apsolutnom sigurnošću odrediti ponašanje tih čestica. S atomima s većim atomskim brojem, koji imaju više subatomskih čestica, teže je raditi u smislu kvantnomehaničke analize.
Helij je najmanje reaktivan od svih elemenata. Nereaktivna svojstva helija proizlaze iz činjenice da je najlakši od općenito nereaktivnih plemenitih plinova. Plemeniti plin ima “punu” elektronsku ljusku, što znači da ne može lako dati ili primiti elektrone u kemijskoj reakciji. Izmjena ili dijeljenje elektrona osnova je za većinu kemijskih reakcija, tako da plemeniti plinovi imaju tendenciju sudjelovati u nekoliko kemijskih reakcija. Osim toga, helij ima samo dva elektrona koji bi uopće mogli sudjelovati u reakciji, dok svi ostali plemeniti plinovi – i zapravo, svi elementi osim vodika – imaju više.
Postoji mnogo različitih upotreba helija koje proizlaze iz kemijskih svojstava helija – osobito njegove male težine, temperature i tlaka te niske reaktivnosti. Helij je, na primjer, znatno lakši od zraka, pa se često koristi za punjenje balona kako bi mogli plutati i zračnih brodova kao što su blimpovi kako bi mogli letjeti. Tekući helij, koji može postojati samo pri ekstremnim tlakovima i pri vrlo niskim temperaturama, koristi se kao rashladno sredstvo za supravodnike, koji svoja izrazito vodljiva svojstva poprimaju tek pri vrlo niskim temperaturama.