Do khối lượng nguyên tử thấp 3.02 đơn vị khối lượng nguyên tử, heli-3 có một số tính chất vật lý khác với heli-4, với khối lượng 4,00 đơn vị khối lượng nguyên tử. Do tương tác lưỡng cực yếu, cảm ứng lưỡng cực giữa các nguyên tử heli, tính chất vật lý siêu nhỏ của chúng chủ yếu được xác định bởi năng lượng điểm không. Ngoài ra, tính chất hiển vi của heli-3 khiến nó có năng lượng điểm không cao hơn heli-4. Điều này ngụ ý rằng heli-3 có thể khắc phục các tương tác lưỡng cực lưỡng cực với năng lượng nhiệt ít hơn heli-4.

Các hiệu ứng cơ học lượng tử trên heli-3 và heli-4 khác nhau đáng kể vì với hai proton, hai neutron và hai electron, heli-4 có spin bằng 0, biến nó thành boson, nhưng có ít nơ-tron hơn, heli- 3 có spin nửa nguyên, làm cho nó trở thành một fermion.

Heli-3 sôi ở 3,19 K so với heli-4 ở 4,23 K, và điểm tới hạn của nó cũng thấp hơn ở 3,35 K, so với heli-4 ở mức 5,2 K. Heli-3 có mật độ thấp hơn một nửa so với Heli-4 khi nó đang ở điểm sôi: 59 gram mỗi lít so với 125 gram mỗi lít heli-4 ở áp suất của một bầu khí quyển. Nhiệt hóa hơi tiềm ẩn của nó cũng thấp hơn đáng kể ở mức 0,026 kilojoules mỗi mol so với 0,0829 kilojoules mỗi mol heli-4.[10][11]