Enquanto observava um eclipse solar em 1868, o astrônomo Pierre Janssen notou linhas amarelas brilhantes na cromosfera do Sol. Ele concluiu que a cromosfera era gasosa e que poderia ser estudada na ausência de um eclipse. Outros astrônomos começaram a estudar a cromosfera e as linhas amarelas, incluindo Pierre Lockyer, que mediu o comprimento de onda das linhas e percebeu que suas descobertas indicavam um elemento até então desconhecido. Ele chamou o elemento hélio, da palavra grega helios, que significa sol.
Enquanto os historiadores atribuem a Janssen e Lockyer a descoberta do hélio, Sir William Ramsay, um químico escocês, bem como dois químicos suecos que trabalharam independentemente de Ramsay, Nils Langlet e Per Theodor Cleve, foram os primeiros a isolá-lo no laboratório. Os pesquisadores trataram a clevita, um minério que contém urânio, com ácido para produzir hélio. Lockyer e outros pesquisadores confirmaram que o gás produzido era um novo elemento quando mediram as linhas espectrais amarelas que o gás isolado produziu quando exposto à luz. Eles descobriram que as linhas tinham um comprimento de onda de 587,49 nanômetros, que era diferente do de outros gases elementares conhecidos, como o hidrogênio.
Embora o hélio exista apenas em pequenas quantidades na Terra, ele é continuamente produzido pela decomposição de elementos radioativos. Esse decaimento cria partículas alfa, que se tornam átomos de hélio quando capturam elétrons.