Mentre osservava un'eclissi solare nel 1868, l'astronomo Pierre Janssen notò linee gialle brillanti nella cromosfera del Sole. Concluse che la cromosfera era gassosa e che poteva essere studiata in assenza di un'eclissi. Altri astronomi hanno iniziato a studiare la cromosfera e le linee gialle, tra cui Pierre Lockyer, che ha misurato la lunghezza d'onda delle linee e ha realizzato che le sue scoperte indicavano un elemento precedentemente sconosciuto. Ha chiamato l'elemento elio, dalla parola greca helios, che significa sole.
Mentre gli storici attribuivano a Janssen e Lockyer la scoperta dell'elio, Sir William Ramsay, un chimico scozzese, nonché due chimici svedesi che lavoravano indipendentemente da Ramsay, Nils Langlet e Per Theodor Cleve, furono i primi a isolarlo nel laboratorio. I ricercatori hanno trattato il clevite, un minerale contenente uranio, con acido per produrre elio. Lockyer e altri ricercatori hanno confermato che il gas prodotto era un nuovo elemento quando hanno misurato le linee spettrali gialle del gas isolato prodotto quando esposto alla luce. Hanno scoperto che le linee avevano una lunghezza d'onda di 587,49 nanometri, che era diversa da quella di altri gas elementali conosciuti, come l'idrogeno.
Anche se l'elio esiste solo in tracce sulla Terra, viene continuamente prodotto dal decadimento di elementi radioattivi. Questo decadimento crea particelle alfa, che diventano atomi di elio quando catturano gli elettroni.
