A partir de 1911, Onnes étudie les propriétés électriques de métaux monoatomiques à très basse température (mercure, étain et plomb). À cette époque, certains scientifiques, dont William Thomson (Lord Kelvin), pense qu'au sein d'un conducteur les électrons devraient être à l'arrêt complet au zéro absolu, ce qui devrait alors conduire à une résistivité électrique infinie. D'autres, dont Onnes, pensent que cette résistivité doit décroître progressivement jusqu'à zéro. En effet, Augustus Matthiessen avait montré dans les années 1860 que la résistivité augmente généralement avec la température dans les métaux. Onnes et ses collègues observent qu'à 4.2 K la résistivité du mercure est nulle, mais la chute est brusque. Il écrit alors que "Le mercure est passé dans un nouvel état, qui du fait de ses propriétés électriques extraordinaires pourrait être appelé état supraconducteur".