ดิวเทอเรียม (อังกฤษ: Deuterium) สัญญลักษณ์ 2H ถูกเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าไฮโดรเจนหนัก เป็นหนึ่งในสองของไอโซโทปของไฮโดรเจนที่เสถียร โดยที่นิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว ในขณะที่ไอโซโทปของไฮโดรเจนที่รู้จักกันทั่วไปมากกว่าที่เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า โปรเทียม (อังกฤษ: protium) มีเพียงโปรตอนเดียวเท่านั้น ไม่มีนิวตรอน ดิวเทอเรียมมี'ความอุดมในธรรมชาติ' โดยพบในมหาสมุทรทั่วไปประมาณหนึ่งอะตอมใน 6420 อะตอมของไฮโดรเจน ทำให้ดิวเทอเรียมมีสัดส่วนที่ประมาณ 0.0156% (หรือ 0.0312% ถ้าคิดตามมวล) ของไฮโดรเจนที่เกิดในธรรมชาติทั้งหมดในมหาสมุทร ในขณะที่โปรเทียมมีสัดส่วนมากกว่า 99.98% ความอุดมของดิวเทอเรียมเปลี่ยนแปงเล็กน้อยตามชนิดของน้ำตามธรรมชาติ (ดู ค่าเฉลี่ยของน้ำในมหาสมุทรตามมาตรฐานเวียนนา) นิวเคลียสของดิวเทอเรียมเรียกว่าดิวเทอรอน
เราใช้สัญลักษณ์ 2H แทนดิวเทอเรียม อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้งที่เราใช้ D แทนดิวเทอเรียม เช่นเมื่อเราต้องการจะเขียนสัญลักษณ์แทนโมเลกุลก๊าซดิวเทอเรียม จะสามารถเขียนแทนได้ว่า 2H2 หรือ D2 ก็ได้
หากแทนที่ดิวเทอเรียมในโมเลกุลของน้ำ จะทำให้เกิดสารดิวเทอเรียมออกไซด์หรือที่เรียกว่าน้ำมวลหนักขึ้น ถึงแม้น้ำชนิดหนักจะไม่เป็นสารพิษที่ร้ายแรงมากนัก แต่ก็ไม่เคยถูกนำมาใช้ในการอุปโภคบริโภค
การมีอยู่ของดิวเทอเรียมในดาวฤกษ์เป็นข้อมูลสำคัญในวิชาจักรวาลวิทยา โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดาวฤกษ์จะทำลายดิวเทอเรียม ยังไม่พบกระบวนการในธรรมชาติใดๆที่ทำให้เกิดดิวเทอเรียมนอกจากปรากฏการณ์บิ๊กแบง
ดิวเทอเรียมไม่มีอะไรต่างจากไฮโดรเจนมากนักในเชิงเคมีฟิสิกส์ นอกเสียจากว่ามีมวลที่หนักกว่า ซึ่งมวลที่หนักกว่านี้เองที่ทำให้ดิวเทอเรียมเปรียบเสมือนกับไฮโดรเจนที่เชื่องช้า เนื่องจากการที่มีมวลมากกว่า จะทำให้มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่า
ดิวเทอเรียมมาจากภาษากรีก deuteros หมายถึง "ที่สอง" เพื่อบอกถึงอนุภาค 2 ตัวประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียส ดิวเทอเรียมถูกค้นพบและตั้งชื่อในปี ค.ศ. 1931 โดย แฮโรลด์ ซี. อูเรย์ ซึ่งต่อมาในปี ค.ศ. 1934 อูเรย์ก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี การค้นพบนี้ตามด้วยการค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 ซึ่งทำให้โครงสร้างนิวเคลียสของดิวเทอเรียมมีความชัดเจนขึ้น ไม่นานหลังจากการค้นพบดิวเทอเรียม อูเรย์และคนอื่นได้ผลิตตัวอย่างของน้ำชนิดหนัก ที่มีดิวเทอเรียมความเข้มข้นสูง น้ำชนิดหนักบริสุทธิ์ถูกสังเคราะห์ได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1933 โดย กิลเบิร์ต นิวตัน เลวิส
ดิวเทอเรียมมีประโยชน์มากในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งแล้ว ถ้าใช้ร่วมกับทริเทียม เพราะปฏิกิริยาระหว่างดิวเทอเรียมกับไตรเทียมจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง และปลดปล่อยพลังงานออกมามาก
ในทางเคมีและเคมีธรรมชาติแล้ว ดิวเทอเรียมถูกใช้เป็นตัวตามรอยในการศึกษาปฏิกิริยาทางเคมีและวิถีเมตาบอลิก เราสามารถแยกดิวเทอเรียมออกจากไฮโดรเจนได้โดยใช้สเปกโทรเมตรีมวล
