Deuterium is een van de drie isotopen van waterstof. Elk deuteriumatoom bevat één proton en één neutron. De meest voorkomende isotoop van waterstof is protium, dat één proton heeft en geen neutronen. Het "extra" neutron maakt elk deuteriumatoom zwaarder dan een protiumatoom, dus deuterium staat ook bekend als zware waterstof.
Hoewel deuterium een isotoop is, is het niet radioactief. Zowel deuterium als protium zijn stabiele isotopen van waterstof. Gewoon water en zwaar water gemaakt met deuterium zijn even stabiel. Tritium is radioactief. Het is niet altijd eenvoudig om te voorspellen of een isotoop stabiel of radioactief zal zijn. Meestal treedt radioactief verval op wanneer er een significant verschil is tussen het aantal protonen en neutronen in een atoomkern.