Helij je kemični element z atomsko številko 2, kar pomeni, da ima nevtralni atom helija dva protona in dva elektrona. Najpomembnejše kemijske lastnosti helija vključujejo njegovo atomsko maso, agregatno stanje, vrelišče in tališče ter gostoto. Element ima atomsko maso 4.0026 gramov na mol in je plin pri skoraj vseh temperaturah in tlačnih pogojih. Gostota helija je 0.1786 grama na liter pri 32°F (0.0°C) in 101.325 kilopascalov (kPa).
Tekoči in trdni helij lahko obstajata le v izjemno nizkih temperaturah in visokotlačnih pogojih. Ena od nenavadnih lastnosti helija je, da ne more obstajati kot trdna ali tekoča pri normalnih tlakih, tudi pri izjemno nizkih temperaturah. Pri tlaku približno 360 funtov na kvadratni palec (2.5 megapaskala) je prehod med tekočino in trdno snovjo oziroma tališče -458 °F (0.95 Kelvina). Vrelišče je -452 °F (4.22 Kelvina).
Zaradi nekaterih lastnosti helija je zanimiv in pogost predmet preučevanja v kvantni mehaniki. Zaradi nizkega atomskega števila je drugi najpreprostejši atom za vodikom. Z matematičnimi postopki je mogoče analizirati obnašanje subatomskih delcev – protonov, elektronov in nevtronov – znotraj atoma helija. Takšne metode pa ne morejo z absolutno gotovostjo določiti obnašanja teh delcev. Atome z večjim atomskim številom, ki imajo več subatomskih delcev, je v smislu kvantno mehanske analize težje delati.
Helij je najmanj reaktiven od vseh elementov. Nereaktivne lastnosti helija izhajajo iz dejstva, da je najlažji med splošno nereaktivnimi žlahtnimi plini. Žlahtni plin ima “polno” elektronsko lupino, kar pomeni, da ne more zlahka dati ali sprejeti elektronov v kemični reakciji. Izmenjava ali delitev elektronov je osnova za večino kemičnih reakcij, zato žlahtni plini običajno sodelujejo v nekaj kemičnih reakcijah. Poleg tega ima helij le dva elektrona, ki bi sploh lahko sodelovala v reakciji, medtem ko imajo vsi drugi žlahtni plini – in pravzaprav vsi elementi razen vodika – več.
Obstaja veliko različnih uporab helija, ki izhajajo iz kemičnih lastnosti helija – zlasti njegove majhne teže, temperature in tlaka ter nizke reaktivnosti. Helij je na primer precej lažji od zraka, zato se pogosto uporablja za polnjenje balonov, da lahko lebdijo, in zračnih ladij, kot so blimps, da lahko letijo. Tekoči helij, ki lahko obstaja le pri ekstremnih tlakih in pri zelo nizkih temperaturah, se uporablja kot hladilno sredstvo za superprevodnike, ki pridobijo svoje izjemno prevodne lastnosti šele pri zelo nizkih temperaturah.