Selain oksigen, nitrogen, dan hidrogen, udara mengandung sejumlah kecil gas langka seperti neon, helium, kripton, dan xenon. Berdasarkan fraksi volume, neon menyumbang sekitar 15×10⁻⁶ hingga 18×10⁻⁶, helium sebesar 4,6×10⁻⁶ hingga 5,3×10⁻⁶, kripton hanya 1,08×10⁻⁶, dan xenon sebesar 0,08×10⁻⁶. Xenon umumnya dikenal sebagai "gas emas". Karena konsentrasinya yang sangat rendah dan rumitnya proses ekstraksi, unit pemulihan hanya dipertimbangkan untuk pabrik oksigen dengan kapasitas lebih besar dari 10.000 m³/jam.
Neon dan helium memiliki suhu pencairan yang sangat rendah. Pada tekanan atmosfer, suhu pencairan neon adalah 27,26 K, dan helium adalah 4,21 K. Neon sangat inert, menjadikan neon cair sebagai pendingin yang sangat aman untuk laboratorium kriogenik. Pada suhu helium cair, konduktor kehilangan hambatan listriknya, sehingga arus mengalir tanpa kehilangan, sehingga menghasilkan “superkonduktivitas”, yang dapat dimanfaatkan untuk membangun motor superkonduktor. Oleh karena itu, dengan kemajuan teknologi suhu ultra-rendah, helium cair akan memainkan peran yang semakin penting.
Helium sangat inert. Ini digunakan sebagai gas pelindung dalam peleburan logam langka khusus seperti titanium dan zirkonium, serta semikonduktor seperti silikon dan germanium. Helium juga diperlukan sebagai gas pelindung untuk pengelasan dan pemotongan paduan-bermutu tinggi dengan titik leleh tinggi dan ketebalan besar.
Helium memiliki difusivitas yang kuat dan permeabilitas yang tinggi. Oleh karena itu, untuk bejana tekan dan sistem vakum dengan persyaratan yang sangat ketat, helium adalah indikator pendeteksi kebocoran terbaik. Selain itu, helium adalah zat pendingin yang optimal untuk lemari es bersuhu sangat rendah. Pencair helium dan lemari es helium dapat mencapai suhu mendekati nol mutlak. Pompa yang dioperasikan dengan helium cair dapat mencapai vakum tinggi sebesar 133,32×10⁻⁹ Pa yang diperlukan dalam industri elektronik, dan vakum ultra-tinggi sebesar 133,32×10⁻¹⁰ hingga 133,32×10⁻¹² Pa yang diperlukan untuk penelitian luar angkasa.
Dalam fisika atom, inti helium digunakan sebagai partikel alfa. Dalam industri atom, helium banyak digunakan sebagai gas pelindung. Dalam reaktor nuklir, helium tidak hanya berfungsi sebagai gas pelindung tetapi juga sebagai pendingin. Karena helium bersifat inert secara kimia dan tidak-korosif terhadap peralatan pembakaran, helium dapat meningkatkan suhu dan efisiensi reaktor. Selain itu, helium sendiri memiliki konduktivitas termal yang tinggi, sehingga memberikan kinerja pendinginan yang sangat baik.
Dalam dunia kedokteran, campuran oksigen dan helium dengan perbandingan 1:4 dapat dengan cepat menembus paru-paru, mempercepat pertukaran oksigen dan karbon dioksida. Dapat digunakan untuk mengobati penyakit asma, trakea dan laring, serta penyakit dekompresi.
Dalam operasi penyelaman, jika menggunakan udara biasa, nitrogen yang terlarut dalam darah dapat menyebabkan pembiusan pada kedalaman di bawah 50 m, yang menimbulkan risiko-mengancam nyawa penyelam. Oleh karena itu, penyelam yang bekerja di kedalaman yang sangat dalam tidak dapat menggunakan oksigen murni; sebagai gantinya, campuran oksigen-helium digunakan untuk menggantikan udara untuk bernapas, sehingga memastikan pengoperasian yang aman pada kedalaman hingga 200 m. Akibatnya, konsumsi helium sangat besar.
Karena helium lebih aman daripada hidrogen, helium dapat digunakan untuk menggantikan hidrogen untuk mengisi kapal udara dan balon cuaca. Helium juga dapat digunakan sebagai gas pembawa dalam kromatografi.
Dengan berkembangnya teknologi luar angkasa, teknologi laser, dan teknologi deteksi inframerah, helium memiliki beragam aplikasi.
Neon memancarkan cahaya merah saat diisi bola lampu dan telah lama digunakan untuk mengisi perangkat sinyal neon dan berbagai tabung pelepasan. Ini juga banyak digunakan dalam teknologi laser dan deteksi inframerah.
Panas laten penguapan neon 40 kali lebih besar dibandingkan helium, sehingga cocok sebagai zat pendingin untuk suhu sangat-rendah, dengan suhu minimum -245,9 derajat . Neon dan helium juga dapat digunakan untuk mengukur kepadatan sebenarnya dan luas permukaan zat berpori.
Krypton dan xenon terutama digunakan dalam sumber cahaya listrik. Bohlam yang diisi dengan campuran kripton, xenon, dan argon bersifat kompak,-tahan lama, dan sangat efisien-umumnya 4 hingga 5 kali lebih efisien dibandingkan lampu pijar, dengan masa pakai yang meningkat 2 hingga 3 kali lipat. Lampu flash dan stroboskop juga menggunakan kripton dan xenon. Karena intensitas pelepasan lampu xenon melebihi sinar matahari, lampu xenon busur panjang yang diisi dengan xenon, umumnya dikenal sebagai "matahari kecil", memiliki kemampuan menembus kabut yang sangat kuat. Mereka dapat digunakan untuk penerangan di bandara, stasiun kereta api, dermaga, dan lokasi lainnya, serta di medan perang.
Selain itu, xenon memiliki berat molekul yang relatif besar dan sifat anestesi yang kuat, menjadikannya anestesi yang ideal dalam pengobatan. Xenon juga memiliki sifat kedap terhadap sinar X-, dan digunakan sebagai zat kontras untuk fotografi sinar X-otak otak, serta pelindung sinar X-.
