Helium mempunyai lapan isotop yang diketahui, tetapi hanya helium-3 dan helium-4 yang stabil. Di dalam atmosfera Bumi, ada satu atom 3He di antara setiap sejuta atom 4He.[4] Tidak seperti unsur-unsur lain, kelimpahan isotop helium berbeza dengan banyak mengikut asal-usul kerana proses penghasilan yang berbeza. Isotop helium yang paling biasa, helium-4, dihasilkan di Bumi melalui pereputan alfa unsur-unsur radioaktif yang lebih berat; zarah alfa yang terbentuk adalah nukleus helium-4 yang diionkan sepenuhnya. Helium-4 mempunyai nukleus yang luar biasa kestabilannya kerana nukleon-nukleonnya disusun dalam petala-petala penuh. Ia juga dihasilkan dengan banyaknya sewaktu nukleosintesis Letupan Besar.[54]

Helium-3 terdapat di Bumi dalam jumlah yang sedikit; kebanyakannya sejak kewujudan Bumi, walaupun sesetengahnya jatuh ke Bumi terperangkap dalam debu kosmik.[55] Jumlah yang sedikit juga dihasilkan oleh pereputan beta tritium.[56] Batuan di kerak Bumi mempunyai nisbah isotop yang bezanya sehingga mencapai sepuluh kali ganda isotop lain, dan nisbah-nisbah ini boleh digunakan untuk mengkaji asal-usul batu-batu dan komposisi mantel Bumi.[55] 3He lebih banyak di bintang-bintang kerana ia adalah hasil pelakuran nuklear. Oleh itu, dalam medium antara bintang perkadaran 3He kepada 4He adalah kira-kira 100 kali lebih tinggi daripada di Bumi.[57] Bahan-bahan luar planet, seperti regolith bulan dan asteroid, mempunyai jumlah helium-3 yang kecil yang diperolehi daripada pelanggaran dengan angin suria. Permukaan Bulan mempunyai helium-3 dengan tumpuan sebanyak 0.01 ppm, lebih banyak daripada kira-kira 5 ppt yang ditemui di atmosfera Bumi.[58][59] Beberapa orang, bermula dengan Gerald Kulcinski pada 1986,[60] telah mencadangkan untuk meneroka Bulan, melombong regolith di permukaannya dan gunakan helium-3 di dalamnya untuk pelakuran.

Helium-4 cecair boleh disejukkan ke suhu 1 kelvin dengan penyejukan penyejatan di dalam periuk 1-K. Helium-3 dengan takat didih yang lebih rendah boleh disejukkan dengan cara yang sama ke suhu 0.2 kelvin di dalam peti sejuk helium-3. Campuran sama 3He dan 4He cecair di bawah suhu 0.8 K akan terasing kepada dua fasa tak terlarutcampur kerana ketidaksamaan mereka (ia mengikut statistik kuantum yang berbeza: atom helium-4 adalah boson manakala atom helium-3 adalah fermion).[5] Peti sejuk cairan menggunakan ketidakterlarutcampuran ini untuk mencapai suhu di bawah beberapa milikelvin.

Isotop helium eksotik boleh dihasilkan, namun ia akan mereput dan membentuk bahan lain dengan cepat. Isotop berat helium dengan jangka hayat yang terpendek ialah helium-5 dengan separuh hayat sepanjang 7.6 × 10-22 saat. Helium-6 mereput dengan memancarkan satu zarah beta dan mempunyai separuh hayat selama 0.8 saat. Helium-7 juga memancarkan zarah beta dan juga sinar gama. Helium-7 dan helium-8 dihasilkan dalam sesetengah tindak balas nuklear.[5] Helium-6 dan helium-8 diketahui mempunyai nukleus halo.[5]