Oleh kerana jisim atomnya yang rendah sebanyak 3.02 unit jisim atom, helium-3 mempunyai beberapa ciri fizikal yang berbeza daripada helium-4 yang mempunyai jisim 4.00 unit jisim atom. Disebabkan interaksi dwikutub–dwikutub lemah dan dikenakan antara atom-atom helium, ciri-ciri fizikal makroskopiknya kebanyakannya ditentukan oleh tenaga titik sifarnya (tenaga kinetik keadaan asas). Ciri-ciri makroskopik helium-3 juga menyebabkannya mempunyai tenaga titik sifar yang lebih tinggi daripada helium-4. Ini menunjukkan bahawa helium-3 boleh mengatasi interaksi dwikutub–dwikutub dengan tenaga haba yang lebih rendah daripada helium-4.

Kesan kuantum mekanik ke atas helium-3 dan helium-4 berbeza kerana dengan dua proton, dua neutron dan dua elektron, helium-4 mempunyai "spin" keseluruhan sifar yang menjadikannya boson, tetapi dengan kurang satu neutron, helium-3 mempunyai spin keseluruhan campur tolak satu setengah, menjadikannya fermion.

Helium-3 mendidih pada suhu 3.19 K berbanding dengan helium-4 pada suhu 4.23 K, dan takat kritikalnya juga lebih rendah iaitu pada 3.35 K, berbanding dengan helium-4 pada 5.2 K. Helium-3 mempunyai kurang daripada setengah kepadatan pada takat didihnya: 59 gram seliter berbanding 125 gram seliter bagi helium-4 — pada tekanan satu atmosfera. Tenaga pengewapan terpendamnya juga lebih rendah iaitu 0.026 kilojoule per mol berbanding dengan 0.0829 kilojoule per mol bagi helium-4.[6]