מים כבדים, הם מים הדומים למים רגילים אשר בהם אטום חמצן אחד מחובר לשני אטומי מימן. אלא שאטומי המימן במים כבדים שונים בכך שהמימן הוא איזוטופ של מימן כבד, המכונה דאורטריום ומסומן D2 - לאטום (איזוטופ) מימן כבד כזה יש בגרעין פרוטון אחד (כמו במימן רגיל) ובנוסף ניטרון אחד, על כן זהו איזוטופ כבד יותר (כמעט פי 2) מהמימן הרגיל. הנוסחה הכימית של מים כבדים D2O.
המים הכבדים דומים מאוד למים רגילים בתכונותיהם הכימיות והפיסיקליות - אלא שמסתם גדולה בעשרה אחוז לערך מזו של המים הרגילים. בנוסף לכך יש הבדלים קלים בטמפ' הרתיחה, הקיפאון, בצמיגות ובצפיפות. הבדלים קלים אלה מאפשרים לבודד ולהפיק מים כבדים ממאגר של מים רגילים.
חשיבותם הרבה נובעת מתכונתם להאט את שטף הנייטרונים בתוך כורים גרעיניים, ובכך לשלוט על הריאקציה הגרעינית בכור, בנוסף המים הכבדים משמשים גם לקירור הכור.