Το ήλιο είναι ένα χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 2, που σημαίνει ότι ένα ουδέτερο άτομο ηλίου έχει δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια. Οι πιο σημαντικές χημικές ιδιότητες του ηλίου περιλαμβάνουν την ατομική του μάζα, την κατάσταση της ύλης, τα σημεία βρασμού και τήξης και την πυκνότητά του. Το στοιχείο έχει ατομική μάζα 4.0026 γραμμάρια ανά mole και είναι αέριο σχεδόν σε όλες τις θερμοκρασίες και συνθήκες πίεσης. Η πυκνότητα του ηλίου είναι 0.1786 γραμμάρια ανά λίτρο στους 32°F (0.0°C) και 101.325 kilopascal (kPa).
Υγρό και στερεό ήλιο μπορεί να υπάρχει μόνο σε συνθήκες υψηλής πίεσης εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Μία από τις ασυνήθιστες ιδιότητες του ηλίου είναι ότι δεν μπορεί να υπάρχει ως στερεό ή υγρό σε κανονικές πιέσεις, ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Σε πίεση περίπου 360 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (2.5 megapascals), η μετάβαση μεταξύ υγρού και στερεού, ή του σημείου τήξης, είναι -458°F (0.95 Kelvin). Το σημείο βρασμού είναι -452°F (4.22 Kelvin).
Μερικές από τις ιδιότητες του ηλίου το καθιστούν ένα ενδιαφέρον και κοινό αντικείμενο μελέτης στην κβαντομηχανική. Είναι, λόγω του χαμηλού ατομικού του αριθμού, το δεύτερο πιο απλό άτομο μετά το υδρογόνο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαθηματικές διαδικασίες για την ανάλυση της συμπεριφοράς των υποατομικών σωματιδίων —πρωτονίων, ηλεκτρονίων και νετρονίων— εντός του ατόμου ηλίου. Ωστόσο, τέτοιες μέθοδοι δεν μπορούν να προσδιορίσουν τη συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων με απόλυτη βεβαιότητα. Τα άτομα με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό, τα οποία έχουν περισσότερα υποατομικά σωματίδια, τείνουν να είναι πιο δύσκολο να εργαστεί κανείς από την άποψη της κβαντομηχανικής ανάλυσης.
Το ήλιο είναι το λιγότερο αντιδραστικό από όλα τα στοιχεία. Οι μη αντιδραστικές ιδιότητες του ηλίου προκύπτουν από το γεγονός ότι είναι το ελαφρύτερο από τα γενικά μη αντιδραστικά ευγενή αέρια. Ένα ευγενές αέριο έχει ένα «γεμάτο» κέλυφος ηλεκτρονίων, που σημαίνει ότι δεν μπορεί εύκολα να δώσει ή να λάβει ηλεκτρόνια σε μια χημική αντίδραση. Η ανταλλαγή ή η κοινή χρήση ηλεκτρονίων είναι η βάση για τις περισσότερες χημικές αντιδράσεις, επομένως τα ευγενή αέρια τείνουν να συμμετέχουν σε λίγες χημικές αντιδράσεις. Επιπλέον, το ήλιο έχει μόνο δύο ηλεκτρόνια που θα μπορούσαν να συμμετάσχουν καθόλου σε μια αντίδραση, ενώ όλα τα άλλα ευγενή αέρια – και μάλιστα, όλα τα στοιχεία εκτός από το υδρογόνο – έχουν περισσότερα.
Υπάρχουν πολλές διαφορετικές χρήσεις του ηλίου που προκύπτουν από τις χημικές ιδιότητες του ηλίου — ιδιαίτερα το ελαφρύ βάρος, τη θερμοκρασία και την πίεση και τη χαμηλή του αντιδραστικότητα. Το ήλιο, για παράδειγμα, είναι πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα, επομένως χρησιμοποιείται συχνά για να γεμίσει μπαλόνια, ώστε να μπορούν να επιπλέουν και αερόπλοια, όπως πτερύγια για να μπορούν να πετάξουν. Το υγρό ήλιο, το οποίο μπορεί να υπάρχει μόνο σε ακραίες πιέσεις και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιείται ως ψυκτικό υγρό για υπεραγωγούς, οι οποίοι λαμβάνουν τις εξαιρετικά αγώγιμες ιδιότητες τους μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.