1868年，在太阳的光谱中天文学家发现了一条特殊的黄色谱线D3，这与已知的钠元素的两条黄色谱线D1和D2不同，由此预言在太阳中可能有一种未知元素存在。后来将这种元素命名为“氦”，意为“太阳元素”。
20多年以后，拉姆塞证实了氦元素也存在于地球上。1895年，美国地质学家希尔布兰德发现钇铀矿放在硫酸中加热会产生一种气体。这种气体不能自燃、也不能助燃。他猜想这种气体可能是氮气或氩气，但没有继续研究。拉姆塞得知后，重复了这一实验，得到少量气体。在用光谱分析法检验该气体时，原以为能看到氩的谱线，却意外地发现一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。拉姆塞把它与已知的谱线对照，没有一种与它相似。经过思索，终于想起27年前发现的太阳上的氦。氦的光谱也是黄线，如果这两条黄线能够重合，这种气体应是太阳元素氦了。
拉姆塞对待科学十分谨慎，请当时英国最著名的光谱专家克鲁克斯帮助检验。克鲁克斯证实拉姆塞所得的未知气体即为“太阳元素”气体。1895年3月，在《化学新闻》上拉姆塞首先发表了在地球上发现氦的简报。同年在英国化学年会上正式宣布这一发现。后来，人们在大气中、水中、天然气中、石油气中以及铀的矿石中，甚至在陨石中也发现了氦。氦与氩的性质一样不活泼。
在发现氩和氦后，拉姆塞开始研究了它们的性质。他测定了这两种元素的相对原子质量。接着考虑它们在元素周期表的位置。按照相对原子质量的大小，氦应当排在氢和锂之间，但应当把它归在哪一类呢？除了氖相似以外，它跟已知的任何一种元素都不同。1894年5月拉姆塞在给瑞利的信中写道：“你可曾想到，在周期表第一行最末的地方，还有空位留给气体元素这一件事呢。”他建议在化学元素同期表中列入一类以氦和氩为代表新的化学元素，后来就称为零族元素。
1852年10月2日拉姆塞生于英国的格拉斯哥。他的父母都已年近四十才结婚，他们认为已经没有生育子女的希望，没想到第二年就生下小拉姆塞。拉姆塞的父母都是善良聪明的苏格兰人，他们努力使拉姆塞受到良好的教育。
拉姆塞从小热爱大自然，喜欢读书也爱收藏书，而且对外语情有独钟。小时他经常坐在格拉斯哥自由圣马太教堂里，安静地好像是听卡尔文教徒讲道，大人们不明白这位活泼好动的孩子，为什么能安静地坐着。人们总看见他在阅读圣经，原来小拉姆塞看的不是英文版的圣经，而是看的法文版，有时又看德文版。他是在用这种方法学习法文和德文。
拉姆塞去教堂还有另一个目的，是看教堂的窗子。因为窗子上镶嵌着许多几何图形，他通过观察那些图形来验证学的几何定理。
14岁时，拉姆塞被格拉斯哥学院破格录取。他极肯钻研，他的同班同学菲夫回忆拉姆塞刚上大学时的情形说：“拉姆塞刚入大学时，我们还没学化学，但他一直在家中做各种实验，实验是在卧室中做的，他的卧室四处都放着药瓶，瓶里装着酸类、盐类、汞等等。那时他买化学药品和化学仪器就很内行。我们经常一起做实验，如制取氢、氧，由糖制草酸等。我们还自制了许多玻璃用具，自制了本生灯，拉姆塞是制造玻璃仪器的专家。我相信，学生时代的训练，对他的一生大有好处，除了烧瓶和曲颈瓶以外，所有的仪器，都是我们自制的。”
1870年，拉姆塞大学毕业。毕业后，他前往去德国海德堡拜本生为师继续学习。一年以后，本生推荐他到蒂宾很大学继续深造。在那里他获博士学位。1872—1880年间，拉姆塞在格拉斯哥学院任教职，1880年被布里斯托尔学院聘为化学教授，1882年任该学院院长，1888年被选为英国皇家学会会员，1895年获戴维奖章，同年还被选为法国科学院院士，1911年担任英国科学促进协会主席。1882年，英国化学家、剑桥大学化学教授瑞利研究空气的成分，他经过极为精密的定量分析发现，由氨制得的氮，总比由空气制得的氮轻5／1000，反复研究不得其解。于是，他将这一研究事实，刊登在英国《自然界》刊物上，请读者解答，但没能得到满意的答复。
拉姆塞得知瑞利的研究后，征得了瑞利的同意，开始研究大气中氮的成分，他研究的方法是让空气在红热的镁上通过，让镁吸收空气中的氧和氮。经过反复作用，原空气体积的79／80都已被吸收，只余下1／80。起初，拉姆塞认为余下的气体是氮的一种变种，可能是类似臭氧的物质但经过精密的光谱分析发现，余下的气体，除了氮的谱线以外，还有人们不知道的红色和绿色各种谱线。经过分析，克鲁克斯发现剩余气体的谱线多达200多条。
1894年5月24日，拉姆塞在给瑞利的信中讨论关于所发现的空气中的新元素在元素周期表中的位置。
瑞利建议在化学元素周期表中列入一类新的化学元素，暂时让氦做这一类元素的代表，后来就称为零族元素。
