Mặc dù là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ, nhưng heli (He) tương đối hiếm trên Trái đất. Năm 1868, hai nhà khoa học Pierre Janssen và Joseph Norman Lockyer tình cờ phát hiện khí heli khi tiến hành phân tích quang phổ Mặt trời.
Năm 1859, nhà vật lý người Đức Gustav Kirchoff nhận ra rằng ông có thể dự đoán thành phần hóa học của Mặt trời và các ngôi sao khác bằng cách phân tích quang phổ ánh sáng mà chúng phát ra. Kirchoff đã sử dụng phương pháp này để phát hiện hai nguyên tố xêsi (Cs) và rubidi (Rb). Các nhà thiên văn học thời kỳ đó đặc biệt quan tâm đến việc nghiên cứu những đặc điểm nổi bật của Mặt trời, bao gồm các vụ nổ trên bề mặt giống như ngọn lửa đầy màu sắc. Họ tin rằng cách tốt nhất để thực hiện những quan sát như vậy là khi xảy ra hiện tượng nhật thực.
Một trong hai nhà khoa học tìm thấy bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của heli là Pierre Janssen. Ông sinh ra tại Paris (Pháp) nhưng không may bị tai nạn lúc còn nhỏ nên chân đi khập khiễng. Ông học toán và vật lý tại Đại học Paris, cuối cùng trở thành giáo sư kiến trúc ở đó vào năm 1865. Tuy nhiên, sở thích của ông dường như không liên quan đến lĩnh vực chuyên môn mà ông đang giảng dạy. Ông tham gia vào nhiều cuộc thám hiểm khoa học liên quan đến thiên văn học và địa vật lý. Ví dụ, ông đã đến Peru để tiến hành đo đạc từ trường ở đường xích đạo, hoặc đến Ý và Thụy Sĩ nhằm nghiên cứu quang phổ Mặt trời.
Năm 1868, Janssen thực hiện một chuyến đi tới Guntur, Ấn Độ để quan sát nhật thực. Ông tập trung chú ý vào các tai lửa [thường ở dạng vòng cung] nhô lên từ bề mặt của Mặt trời. Ông kết luận rằng chúng cấu tạo chủ yếu từ khí hydro được đốt nóng ở nhiệt độ cực cao. Nhưng trong lúc quan sát Mặt trời qua kính quang phổ vào ngày 18/8, ông nhận thấy bước sóng của vạch màu vàng được cho là biểu thị sự có mặt của natri (Na) không thực sự phù hợp với bước sóng của nguyên tố này. Trên thực tế, nó không trùng khớp với bước sóng của bất kỳ nguyên tố nào đã biết tại thời điểm đó. Vạch màu vàng đủ sáng để thấy rõ ngay cả khi không có sự trợ giúp của nhật thực, miễn là ông sử dụng thiết bị có thể lọc tất cả các bước sóng, ngoại trừ bước sóng của ánh sáng khả kiến [ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường]. Vì vậy, ông cho rằng mình đã khám phá ra một nguyên tố mới chưa được biết đến.
Sau đó chỉ hai ngày [ngày 20/10/1868], nhà thiên văn học người Anh Joseph Norman Lockyer cũng quan sát thành công tia lửa Mặt trời trong ánh sáng ban ngày. Kết quả nghiên cứu quang phổ Mặt trời của ông cũng tương tự như Janssen. Ông đã gửi bài báo trình bày chi tiết phát hiện của mình đến Viện Hàn lâm Khoa học Pháp cùng ngày với bài báo của Janssen, vì vậy sau này cả hai đều được công nhận là những người đầu tiên phát hiện nguyên tố heli.
Lockyer đề nghị đặt tên cho nguyên tố mới là heli, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là Mặt trời (helios).
Tuy nhiên, nhiều đồng nghiệp của hai nhà khoa học ban đầu tỏ ra nghi ngờ về sự tồn tại nguyên tố mới. Một số nhà nghiên cứu khác thậm chí còn cho rằng heli có thể chỉ tồn tại trên Mặt trời. Năm 1882, trong lúc nhà vật lý người Ý Luigi Palmieri phân tích dung nham núi lửa Vesuvius, ông nhận thấy nó tạo ra một vạch quang phổ màu vàng giống hệt vạch quang phổ của Mặt trời – dấu hiệu đầu tiên cho thấy heli cũng tồn tại trên Trái đất. Phải mất thêm 12 năm nữa, nhà hóa học người Scotland William Ramsey mới tìm thấy thêm bằng chứng thực nghiệm về nguyên tố heli trên Trái đất.
Ramsey là con trai của một kỹ sư xây dựng và cháu trai của một nhà địa chất nổi tiếng người Scotland. Sau khi được cấp bằng tiến sĩ tại Đại học Tübingen (Đức), ông tham gia công tác giảng dạy tại trường University College London (UCL) và công bố một số bài báo về oxit nitơ. Năm 1894, lấy cảm hứng từ bài giảng của Lord Rayleigh, ông đã cô lập thành công một loại khí trơ mới không tham gia phản ứng hóa học. Ông đặt tên cho nó là argon – thuật ngữ trong tiếng Hy Lạp mang nghĩa “lười” hoặc “bất động”. Sau đó, ông phát hiện thêm các khí trơ khác bao gồm neon, krypton, xenon, và giành được giải Nobel Hóa học năm 1904 cho những thành tựu của mình.
Năm 1895, Ramsey tiến hành xử lý quặng cleveite [một loại quặng chứa urani] bằng axit. Ông hy vọng có thể phân lập khí argon bằng cách tách nitơ và oxy ra khỏi mẫu vật bằng axit sulfuric (H2SO4). Trong quá trình thí nghiệm, ông ghi nhận sự hiện diện của một loại khí bất thường bị giam giữ bên trong mẫu vật. “Quang phổ phát xạ của chất khí thoát ra từ đá quặng có một vạch màu vàng rực rỡ, trùng khớp với vạch quang phổ của nguyên tố heli được quan sát từ sắc quyển (chromosphere) của Mặt trời”, Lockyer, một cộng sự của Ramsey, cho biết.
Ramsey đã tiến hành thêm nhiều thử nghiệm để đảm bảo rằng vạch quang phổ màu vàng có nguồn gốc từ nguyên tố mới, thay vì một dạng đặc biệt của hydro. Công trình nghiên cứu của ông được công bố trên Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia London vào cuối năm 1895. Không lâu sau, hai nhà hóa học Thụy Điển là Per Teodor Cleve và Abraham Langlet đã cô lập thành công khí heli từ quặng cleveite.
Ngày nay, người ta dùng khí heli để bơm bóng bay sinh nhật. Loại khí này cũng được sử dụng trong nhiều loại máy móc y tế (ví dụ máy chụp cộng hưởng từ MRI), tàu vũ trụ, máy theo dõi bức xạ, các linh kiện máy tính, kính hiển vi, túi khí trong ô tô, thậm chí cả trong Máy gia tốc hạt lớn (LHC). Do trữ lượng heli trên thế giới là hữu hạn nên nhiều người lo lắng về khả năng thiếu hụt nguyên tố này trong tương lai. Rất may là vào năm 2016, các nhà khoa học phát hiện mỏ khí heli lớn nhất thế giới ở Tanzania có trữ lượng ít nhất 2,8 tỷ m3, đủ để cung cấp cho nhu cầu của con người trong một khoảng thời gian dài.
Về phần Janssen, ông luôn bận rộn với những nghiên cứu mới sau khi cùng với Lockyer tìm ra khí heli. Trong suốt sự nghiệp khoa học của mình, ông đã đi đến Peru, Thụy Sĩ, Nhật Bản, Algeria và các nơi khác để tiến hành thêm nhiều quan sát về vũ trụ. Ông thậm chí đã trốn thoát khỏi Paris bằng khinh khí cầu vào năm 1870, khi thành phố đang bị bao vây trong cuộc Chiến tranh Pháp-Phổ.