हीलियम -3 (³He, ट्राईलफियम) हीलियम का एक हल्का, गैर-रेडियोधर्मी समस्थानिक है जिसमें दो प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन (दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन वाले सामान्य हीलियम) हैं। प्रोटियम (साधारण हाइड्रोजन) के अलावा, हीलियम -3 न्यूट्रॉन की तुलना में अधिक प्रोटॉन वाले किसी भी तत्व का एकमात्र स्थिर आइसोटोप है। हीलियम -3 की खोज 1939 में हुई थी। हिलियम पदार्थ का दुर्लभ समस्थानिक। इसमें २ प्रोटान और एक न्यूट्रॉन होते हैं। यह रेडियोधर्मी नहीं होता है।

हीलियम -3 एक प्राइमोर्डियल न्यूक्लाइड के रूप में होता है, जो पृथ्वी की पपड़ी से वायुमंडल में और लाखों वर्षों में बाहरी स्थान से बच जाता है। हीलियम -3 को एक प्राकृतिक न्यूक्लोजेनिक और कॉस्मोजेनिक न्यूक्लाइड भी माना जाता है, एक का उत्पादन तब होता है जब लिथियम को प्राकृतिक न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी की जाती है, जिसे सहज विखंडन और ब्रह्मांडीय किरणों के साथ परमाणु प्रतिक्रियाओं द्वारा जारी किया जा सकता है। स्थलीय वातावरण में पाए जाने वाले हीलियम -3 में से कुछ वायुमंडलीय और पानी के नीचे के परमाणु हथियारों के परीक्षण के अवशेष भी हैं।

भविष्य के ऊर्जा स्रोत के रूप में हीलियम -3 की संभावना पर बहुत अधिक अटकलें लगाई गई हैं। अधिकांश अन्य परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं के विपरीत, हीलियम -3 परमाणुओं के संलयन से बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है बिना आसपास की सामग्री रेडियोधर्मी किए। हालांकि, हीलियम -3 संलयन प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने के लिए आवश्यक तापमान पारंपरिक संलयन प्रतिक्रियाओं की तुलना में बहुत अधिक है, और यह प्रक्रिया अनजाने में अन्य प्रतिक्रियाएं पैदा कर सकती है जो स्वयं आसपास की सामग्री को रेडियोधर्मी बनने का कारण बनेगी। इसका उपयोग गुब्बारे और अन्य संबंधित उड़ान सामग्री को हल्का बनाने के लिए किया जा सकता है।हीलियम -3 की बहुतायत पृथ्वी पर चंद्रमा की तुलना में अधिक है, अरबों वर्षों से सौर हवा द्वारा यह रेजोलिथ की ऊपरी परत में एम्बेडेड है, हालांकि अभी भी सौर मंडल की गैस दिग्गजों की तुलना में बहुतायत में कम है ।

हीलियम -3 का अस्तित्व पहली बार 1934 में ऑस्ट्रेलियाई परमाणु भौतिक विज्ञानी मार्क ओलिपंट द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जब वह कैम्ब्रिज कैवेंडिश प्रयोगशाला में काम कर रहे थे। ओलिपांत ने ऐसे प्रयोग किए थे जिनमें तेजी से ड्युट्रोन, डियूट्रोन लक्ष्यों से टकरा रहे थे(संयोगवश, परमाणु संलयन का पहला प्रदर्शन) । हीलियम -3 के अलगाव को पहली बार 1939 में लुइस अल्वारेज़ और रॉबर्ट कॉर्नोग ने पूरा किया था। हीलियम -3 को एक रेडियोधर्मी आइसोटोप माना जाता था जब तक कि यह प्राकृतिक हीलियम के नमूनों में भी नहीं पाया गया था, जो कि ज्यादातर हीलियम -4 है, जो की दोनों स्थलीय वातावरण और प्राकृतिक गैस कुओं से लिया गया था।

3.02 परमाणु द्रव्यमान इकाइयों के अपने कम परमाणु द्रव्यमान के कारण, हीलियम -3 के कुछ भौतिक गुण हीलियम -4(जिसका परमाणु द्रव्यमान इकाइ 4.00 हैं) से अलग हैं। हीलियम परमाणुओं के बीच कमजोर, प्रेरित द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय अंतःक्रिया के कारण, उनके सूक्ष्म भौतिक गुण मुख्य रूप से उनकी शून्य-बिंदु ऊर्जा द्वारा निर्धारित होते हैं। साथ ही, हीलियम -3 के सूक्ष्म गुण के कारण हीलियम -4 की तुलना में इसका  शून्य-बिंदु ऊर्जा अधिक हैं। तात्पर्य यह है कि हीलियम -3, हीलियम -4  की तुलना में कम तापीय ऊर्जा के साथ द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय अंतःक्रियाओं को पार कर सकता है।

हीलियम -3 और हीलियम -4 में क्वांटम यांत्रिक प्रभाव काफी भिन्न हैं क्योंकि दो प्रोटॉन, दो न्यूट्रॉन और दो इलेक्ट्रॉनों के साथ, हीलियम -4 में समग्र स्पिन शून्य होता है, जिससे यह एक बोसोन बनता है, लेकिन एक कम न्यूट्रॉन के साथ, हीलियम- 3 का समग्र स्पिन आधा है, जिससे यह एक फर्मियन बन जाता है।

हीलियम -3 का क्वथनांक(उबलने का समय) 3.19 K और क्रांतिक बिन्दु 3.35 K है जो की  हैलियम -4 की क्वथनांक(उबलने का समय) 4.23 K तथा क्रांतिक बिन्दु 5.2 K की तुलना में कम है। अपने क्वथनांक(उबलते बिंदु) पर हीलियम -3 का हीलियम -4 के तुलना में आधे से कम घनत्व है: 59 ग्राम / लीटर, एक वायुमंडल के दबाव पर हीलियम -4 के 125 ग्राम / लीटर की तुलना में। वाष्पीकरण की इसकी अव्यक्त गर्मी  0.0829 kJ / mol भी हीलियम -4 की तुलना में 0.026 kJ / mol काफी कम है।