Mặc dù có 9 dạng đồng vị của heli (2He) (khối lượng nguyên tử chuẩn: &0000000000000004.0026024.002602(2)), chỉ có heli-3 (3
He
) và heli-4 (4
He
) là ổn định. Tất cả các đồng vị phóng xạ đều có thời gian tồn tại rất ngắn, đồng vị sống lâu nhất 6
He
có chu kỳ bán rã &0000000000000806.700000806.7 mili giây. Đồng vị có độ ổn định thấp nhất là 5
He
, với chu kỳ bán rã &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000007.6×10−22 giây, mặc dù có thể 2
He
còn có chu kỳ bán rã ngắn hơn.Trong khí quyển Trái Đất, có một nguyên tử 3
He
trong hàng triệu nguyên tử 4
He
.[1] Tuy nhiên, heli là không bình thường ở chỗ mức độ phổ biến đồng vị của nó khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào nguồn gốc của đồng vị. Trong môi trường liên sao, tỷ lệ của 3
He
cao hơn hàng trăm lần.[2] Các tảng đá từ lớp vỏ Trái Đất có tỷ lệ đồng vị khác nhau đến 10 lần; điều này được sử dụng trong địa chất học để điều tra nguồn gốc của đá và thành phần của lớp vỏ Trái Đất[3]. Các quá trình hình thành khác nhau của hai đồng vị bền của hêli tạo ra sự khác biệt trong độ phổ biến của các đồng vị khác nhau.Hỗn hợp tương đương của 3
He
và 4
He
ở nhiệt độ dưới &0000000000000000.8000000.8 K sẽ tách thành hai lớp một cách bất khả kháng do sự không tương đồng của chúng (chúng có các số liệu thống kê lượng tử khác nhau: các nguyên tử 4
He
là boson trong khi các nguyên tử 3
He
là fermion).[4] Thiết bị làm lạnh pha loãng tận dụng sự không thấm thấu của hai đồng vị này để đạt được nhiệt độ một vài milikelvin.