Deutérium je tiež známe ako ťažký vodík, pretože má väčšiu molekulovú hmotnosť. Z kombinácie deutéria s kyslíkom vzniká ťažká voda (D2O), ktorá vo zvýšených množstvách má negatívne biologické účinky.
Ťažká voda bola prvýkrát vyrobená v roku 1932, niekoľko mesiacov po objavení deutéria. S objavom jadrového štiepenia v roku 1938 a potrebou neutrónového moderátora na zachytávanie neutrónov sa ťažká voda stala dôležitou súčasťou skorých programov jadrovej energie.
Deutérium sa používa aj v chémii, biochémii, environmentálnych vedách a hydrológii kvôli jeho reaktívnym vlastnostiam a rozdielom medzi deutériom a vodíkom.