El agua pesada es aquélla en cuya molécula el átomo de oxígeno, en lugar de estar unido a dos átomos de hidrógeno (o protio), como ocurre con el agua normal, lo hace con dos átomos de deuterio. Esto modifica levemente algunas de sus propiedades físicas tales como la densidad o el punto de ebullición. El agua pesada se encuentra presente, en pequeñas cantidades, mezclada con el agua normal, y puede ser separada de ésta por destilación fraccionada.
La principal aplicación tecnológica del agua pesada ha sido como moderador en los procesos de fisión nuclear, por lo que se convirtió en una sustancia estratégica durante el desarrollo de los primeros reactores nucleares. Hoy en día ha perdido parte de su importancia, al utilizarse también como moderadores en las centrales nucleares otros materiales como el agua normal o el grafito.
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