الديوتيريوم هو الذرة التي تحتوي نواتها على بروتون واحد ونيوترون واحد وتسمى هذه الذرة بالهيدروجين الثقيل، وتسمى نواة الديوتريوم بالديوترون. وبذلك يعتبر الديوتريوم أحد النظائر الثلاثة الطبيعية للهيدروجين. حيث أن الشكل الشائع لذرة الهيدروجين هو ذرة مكونة من بروتون واحد فقط، وهذا هو النظير الأول للهيدروجين وأكثر تلك النظائر شهرة (يسمى أحياناً بالبروتيوم). وهناك نظير ثالث للهيدروجين يسمى التريشيوم (التريتيوم) وتكون نواة ذرة الهيدروجين في هذه الحالة مكونة من بروتون واحد ونيوترونين اثنين، والتريتيوم هو أثقل نظائر الهيدروجين الطبيعية وأكثرها ندرة.
يوجد الديوتريوم في الطبيعة في مياه المحيطات والبحار، حيث أن هناك ذرة ديوتريوم واحدة من بين كل 6500 ذرة هيدروجين في الطبيعة (أي 154 لكل مليون). وبعبارة أخرى فإن نسبة الهيدوجين الثقيل إلى مجمل الهيدروجين الموجود في الطبيعة هي 0.015% ( أو 0.030% بالنظر إلى الكتلة).
ويعتقد أنه يمكن العثور على نسبة أكبر من الديوتريوم كلما توغلنا أكثر في عمق مياه المحيطات.
من الناحية الفيزيائية فإن الديوتريوم هو غاز في درجة الحرارة العادية، وهو نظير مستقر إشعاعياً، أي أنه ليس له عمر نصف. كتلة هذا النظير هي 2.01355321270 وحدة كتل ذرية.
يرمز للديوتريوم عادةً بالرمز D أو 2H ، فمثلاً الرمز الكيميائي لجزيء الماء الثقيل هو D2O على خلاف جزيء الماء العادي والذي يرمز له بالرمز H2O . ومما يجدر ذكره أن الماء الثقيل أكثر لزوجة من الماء العادي وكثافته النسبية أعلى منه.
تم اكتشاف نظير الهيدروجين الديوتريوم عام 1931 من قبل العالم الأمريكي هارولد أوري والذي استلم جائزة نوبل بالكيمياء عام 1934 على هذا الاكتشاف.
الاستخدام الأهم للديوتريوم هو في إنتاج الماء الثقيل والذي يستخدم بدوره في بعض المفاعلات النووية.
كما أن القدرة العالية له على إنتاج الطاقة عند إدخاله في تفاعلات نووية إندماجية تجعله أحد أفضل الخيارات التي يعول عليها العلماء لتوليد طاقة نووية نظيفة في المستقبل.
ويستفاد من الديوتريوم اليوم في إجراء الكثير من التجارب والأبحاث العلمية في مجالي الكيمياء والكيمياء الحيوية، حيث يستخدم كنظير غير مشع في تتبع الجزيئات في التفاعلات الكيميائية. وذلك لأن الديوتريوم يتصرف في التفاعلات الكيميائية تماماً كالهيدروجين العادي، ويمكن تتبع الديوتريوم وتمييزه عن الهيدروجين العادي في نهاية التجربة بسبب فارق الكتلة بينهما.
من التفاعلات النووية الإندامجية الشائعة على النجوم (بما فيها شمسنا) هو اندماج أنوية ذرات الهيدروجين العادي لتكوين الديوتريوم والتريتيوم والهليوم الثلاثي والرباعي.