二氧化铀（uranium dioxide、uranous oxide）即氧化铀是铀的氧化物。分子式UO₂ 。在常温下为黑色粉末。密度 10.97g/cm3，熔点 2,846.85℃，沸点 大约3,500℃。比热14cal/molK。二氧化铀为面心立方结构萤石型结晶构造。单位立方体由中心4个铀原子和外围8个氧原子组成。

二氧化铀不溶于水。极易和硝酸反应生成硝酸铀酰。还能和二氧化钚以任意比例混合。常温下热传导率为10W/mK，1000℃时的热传导率为4W/mK。二氧化铀的电阻率随温度升高而降低。

因二氧化铀熔点高，所以通常被用作反应堆的核燃料。二氧化铀被烧结成直径和长度都是1厘米左右的圆柱体，串联起来放入中空的锆合金燃料棒内部。最后以8x8根燃料棒一组排列成正方形，六角形或圆形构成反应堆的堆芯。

二氧化铀是天然铀矿中最主要的成分，通过化学反应和离心机可以得到高纯度的二氧化铀。同时还可以通过乏燃料的再处理得到二氧化铀。

摄氏700度时三氧化铀可以和氢气发生反应生成二氧化铀和水。

二氧化铀被已知是由肺中的吞噬作用而被吸收。