Ciężka woda zawiera deuter zamiast powszechnego wodoru-1. Ponieważ atomy deuteru są cięższe, ciężka woda ma o około 11% większą gęstość, niż zwykła woda. Poza tym, wszystkie jej pozostałe właściwości, łącznie z wyglądem, zapachem i smakiem są identyczne. Ze względu na większą gęstość, część reakcji biochemicznych przebiega z jej udziałem nieco inaczej, choć różnice są subtelne. Organizmy żywe są w stanie przeżyć nawet, gdy połowa wody w nich zawartej zostanie zastąpiona ciężką wodą.