Je známo devět izotopů helia, ovšem jen dva, 3He a 4He jsou stabilní. Všechny radioizotopy se rychle rozpadají, nejstabilnější je 6He s poločasem přeměny 806,7 milisekund. Nejméně stabilní je 5He s poločasem 7,6×10−22 s, i když 2He má možná ještě kratší poločas.
V zemské atmosféře se nachází pouze jeden atom 3He na milion atomů 4He.[1] Helium je neobvyklé tím, že jeho izotopové složení se výrazně liší v závislosti na původu. V mezihvězdném prostředí je zastoupení 3He asi stokrát větší.[2] Jeho obsah v pozemských horninách kolísá více než desetinásobně, čehož se využívá v geologii k určení původu hornin a složení zemského pláště. Rozdílný způsob vzniku obou stabilních izotopů způsobuje i rozdílný poměr jejich množství.
Směs kapalného 3He a 4He se při teplotě 0,8 K rozdělí na dvě nemísitelné kapaliny, jelikož tyto izotopy mají rozdílné kvantové vlastnosti: atomy 4He jsou bosony, kdežto atomy 3He jsou fermiony.[3] Znovu se stávají mísitelnými až při několika milikelvinech.