Os núcleos de hélio-3 consistem em dois prótons, mas apenas um nêutron, em contraste com o átomo original de hélio, que possui dois prótons e dois nêutrons. Sua existência foi proposta em
1934 pelo físico nuclear australiano
Marcus Oliphant enquanto, no
Laboratório Cavendish na
Universidade de Cambridge, num experimento em que alguns átomos de
deutério (isótopo do
hidrogênio) reagiram mais rapidamente que outros (a primeira demonstração de fusão nuclear).
O He-3 foi postulado para ser um isótopo
radioativo até que átomos dele fossem identificados naturais na atmosfera (que é principalmente de He-4) por
Luis Walter Alvarez e Robert Cornog em um experimento num
cíclotron no
Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley em
1939. Apesar de o hélio-3 ser aproximadamente dez mil vezes mais raro que o hélio-4 na Terra, a sua presença significativa em depósitos de gás subterrâneos implicou que ele não se deteriorasse ou que tivesse um tempo de vida semelhante à do isótopo primordial. O hélio-3 aparece como um nuclídeo primordial, escapando da
crosta terrestre para o espaço ao longo do tempo.