Ciężka woda (D2O), zwana także tlenkiem deuteru, woda składająca się z deuteru, izotopu wodoru o masie dwukrotnie większej niż zwykły wodór i tlenu . (Zwykła woda ma skład reprezentowany przez H2O.) Zatem ciężka woda ma masę cząsteczkową około 20 (suma dwukrotnej masy atomowej deuteru, czyli 2 plus masa atomowa tlenu, która wynosi 16), podczas gdy zwykła woda ma masę cząsteczkową około 18 (dwukrotność masy atomowej zwykłego wodoru, czyli 1 plus tlen, czyli 16).
Zwykła woda, otrzymywana z większości naturalnych źródeł, zawiera około jednego atomu deuteru na każde 6760 zwykłych atomów wodoru. a zatem pozostała woda jest wzbogacona zawartością deuteru. Ciągła elektroliza setek litrów wody, aż pozostanie tylko kilka mililitrów, daje praktycznie czysty tlenek deuteru. Operacja ta, do 1943 r. Jedyna stosowana na dużą skalę metoda, została zastąpiona mniej kosztownymi procesami, takimi jak destylacja frakcyjna (D2O zostaje stężony w ciekłej pozostałości, ponieważ jest mniej lotny niż H2O). Wytworzona ciężka woda jest używana jako moderator neutronów w elektrowniach jądrowych. W laboratorium ciężka woda jest używana jako znacznik izotopowy w badaniach procesów chemicznych i biochemicznych.