Il deuterio è uno dei tre isotopi dell'idrogeno. Ogni atomo di deuterio contiene un protone e un neutrone. L'isotopo più comune dell'idrogeno è il protio, che ha un protone e nessun neutrone. Il neutrone "extra" rende ogni atomo di deuterio più pesante di un atomo di protio, quindi il deuterio è anche noto come idrogeno pesante.
Sebbene il deuterio sia un isotopo, non è radioattivo. Sia il deuterio che il protio sono isotopi stabili dell'idrogeno. L'acqua ordinaria e l'acqua pesante prodotta con deuterio sono altrettanto stabili. Il trizio è radioattivo. Non è sempre facile prevedere se un isotopo sarà stabile o radioattivo. Il più delle volte, il decadimento radioattivo si verifica quando esiste una differenza significativa tra il numero di protoni e neutroni in un nucleo atomico.