الديوتيريوم (بالإنجليزية: Deuterium) (أو الهيدروجين -2، الرمز الكيميائي له D أو 2H، معروف أيضًا باسم الهيدروجين الثقيل) وهو الذرة التي تحتوي نواتها على بروتون واحد ونيوترون واحد وتسمى هذه الذرة بالهيدروجين الثقيل، وتسمى نواة الديوتريوم بالديوترون. وبذلك يعدّ 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.

الديوتيريوم هو أحد نظيرين مستقرين للهيدروجين (الآخر هو البروتيوم، أو الهيدروجين -1). على نواة من الديوتريوم ذرة، ودعا الديوترون، يحتوي على واحد بروتون واحد النيوترون، في حين أن البروتيوم أكثر شيوعا الآن لا يوجد لديه النيوترونات في النواة. يحتوي الديوتيريوم على وفرة طبيعية في محيطات الأرض تبلغ ذرة واحدة تقريبًا في من الهيدروجين. وهكذا يمثل الديوتيريوم حوالي 0.02٪ (0.03٪ بالكتلة) من كل الهيدروجين الطبيعي الموجود في المحيطات، بينما يمثل البروتيوم أكثر من 99.98٪. تتغير وفرة الديوتيريوم قليلاً من نوع واحد من المياه الطبيعية إلى نوع آخر (انظر معيار فيينا يعني مياه المحيط).

اشتق اسم "الديوتيريوم" من الكلمة اليونانية ، والتي تعني "الثانية"، للدلالة على الجسيمين اللذين يتألف منهما النواة. تم اكتشاف الديوتيريوم وتسميته في عام 1931 من قبل هارولد أوري. عندما تم اكتشاف النيوترون في عام 1932، جعل هذا التركيب النووي للديوتيريوم واضحًا، وفاز أوري بجائزة نوبل عام 1934 "لاكتشافه الهيدروجين الثقيل". بعد فترة وجيزة من اكتشاف الديوتيريوم، أنتج يوري وآخرون عينات من "الماء الثقيل" الذي كان محتوى الديوتيريوم فيه شديد التركيز.

يتم تدمير الديوتيريوم في الأجزاء الداخلية للنجوم بشكل أسرع مما يتم إنتاجه. يعتقد أن العمليات الطبيعية الأخرى تنتج كمية ضئيلة من الديوتيريوم. تم إنتاج كل الديوتيريوم الموجود في الطبيعة تقريبًا في الانفجار العظيم قبل 13.8 مليار سنة، حيث يرجع أصل النسبة الأساسية أو البدائية من الهيدروجين -1 إلى الديوتيريوم (حوالي 26 ذرة من الديوتيريوم لكل مليون ذرة هيدروجين) منذ ذلك الوقت. هذه هي النسبة الموجودة في الكواكب الغازية العملاقة، مثل كوكب المشتري. وجد تحليل نسب الديوتيريوم والبروتيوم في المذنبات نتائج مشابهة جدًا لمتوسط النسبة في محيطات الأرض (156 ذرة ديوتيريوم لكل مليون ذرة هيدروجين). هذا يعزز النظريات القائلة بأن معظم مياه المحيطات على الأرض هي من أصل مذنب. نسبة الديوتيريوم إلى البروتيوم للمذنب 67P / Churyumov-Gerasimenko، كما تم قياسها بواسطة مسبار الفضاء "Rosetta"، تبلغ حوالي ثلاثة أضعاف نسبة مياه الأرض. هذا الرقم هو أعلى رقم تم قياسه حتى الآن في مذنب. 

وهكذا تستمر نسب الديوتيريوم والبروتيوم في أن تكون موضوعًا نشطًا للبحث في كل من علم الفلك وعلم المناخ.