Água pesada (D2O), também chamada de óxido de deutério, água composta de deutério, o isótopo de hidrogênio com massa o dobro do hidrogênio comum e oxigênio . (A água comum tem uma composição representada por H2O.) Assim, a água pesada tem um peso molecular de cerca de 20 (a soma de duas vezes o peso atômico do deutério, que é 2, mais o peso atômico do oxigênio, que é 16), enquanto a água comum tem um peso molecular de cerca de 18 (duas vezes o peso atômico do hidrogênio comum, que é 1, mais o oxigênio, que é 16).
A água comum obtida da maioria das fontes naturais contém cerca de um átomo de deutério para cada 6.760 átomos de hidrogênio comuns. e a água residual é assim enriquecida com conteúdo de deutério. A eletrólise contínua de centenas de litros de água até que restem apenas alguns mililitros produz óxido de deutério praticamente puro. Essa operação, até 1943 o único método em larga escala usado, foi substituída por processos menos caros, como a destilação fracionada (D2O torna-se concentrado no resíduo líquido porque é menos volátil que H2O). A água pesada produzida é usada como moderador de nêutrons em usinas nucleares. No laboratório, a água pesada é empregada como traçador isotópico em estudos de processos químicos e bioquímicos.