Из-за большей молекулярной массы дейтерий также известен как тяжёлый водород. В сочетании с кислородом дейтерий образует тяжелую воду (D2O), которая в больших количествах оказывает негативное биологическое воздействие.
Тяжелая вода была впервые получена в 1932 году, через несколько месяцев после открытия дейтерия. С открытием ядерного деления в 1938-х годах XX века и необходимостью использования нейтронных модуляторов для захвата нейтронов, тяжелая вода стала важным компонентом ранних программ по созданию ядерной энергии.
Дейтерий также используется в химии, биохимии, науках об окружающей среде, гидрологии из-за его реактивных свойств и различий между дейтерием и водородом.