Le deutérium est connu sous le nom d'hydrogène lourd, en raison de sa masse moléculaire plus grande. La combinaison du deutérium avec l'oxygène donne de l'eau lourde (D2O), qui en quantités accrues a des effets biologiques négatifs.
L'eau lourde a été produite pour la première fois en 1932, quelques mois après la découverte du deutérium. Avec la découverte de la fission nucléaire en 1938, et la nécessité d'un modérateur neutronique qui capte les neutrons, l'eau lourde est devenue une composante importante des programmes d'énergie nucléaire précoce.
Le deutérium est utilisé également en chimie, biochimie, sciences de l'environnement, hydrologie, en raison de ses propriétés réactives et des différences entre le deutérium et l'hydrogène.