Nirvana grabó «Lithium» con el productor Butch Vig en Smart Studios en Madison, Wisconsin durante abril de 1990.
El material grabado en Smart Studios estaba destinado al segundo álbum del grupo para el sello discográfico independiente Sub Pop.
En el libro "Classic Rock Albums: Nevermind" (1998) declaró que los observadores consideraron la sesión de «Lithium» como un evento clave en la división en desarrollo entre Cobain y el baterista Chad Channing.
Cobain estaba insatisfecho con los tambores de Channing, ya que sus estilos musicales eran inconsistentes.
Entre las sesiones, el bajista Krist Novoselic simplificó la línea de bajo; "Enriquecí el bajo un poco más, pero eso fue todo lo que cambiamos".
Durante el primer día de grabación de la canción, Cobain se sintió tan frustrado por el lento progreso, que en su lugar, la banda comenzó a tocar una improvisación instrumental que había estado trabajando.
Vig grabó la improvisación, más tarde titulada «Endless, Nameless», y fue insertado como pista oculta al final de Nevermind.
«Lithium» es representativo del estilo musical que Nirvana había desarrollado durante el trabajo en Nevermind, alternando entre secciones tranquilas y fuertes.
En la canción, en tono en Re, Cobain utiliza acordes en su guitarra, pero varía entre jugar con notas individuales y pausas en el instrumento, dando a la pista una tacto más libre.
A Nirvana se le pidió interpretar el éxito «Smells Like Teen Spirit» en los MTV Video Music Awards de 1992; sin embargo, la banda quería tocar una nueva canción llamada «Rape Me».
Otra versión en vivo grabada en la legendaria presentación del grupo en el Reading Festival de 1992 en Inglaterra se encuentra en el VHS Live!
Las siguientes canciones aparecieron en el sencillo (todas escritas por Cobain excepto donde se indique): Disco de vinilo Norteamericano de 12 pulgadas, casete, CD y 12 pulgadas del Reino Unido Vinilo del Reino Unido y casete de 7 pulgadas Cd Reino Unido Clasificado número 20 en la revista Kerrang!