二氧化釷 (ThO2)，也稱為氧化釷 (IV)，是一種結晶固體，通常呈白色或黃色。 也稱為氧化釷，主要作為鑭系元素和鈾生產的副產品生產。 釷石是二氧化釷的礦物學形式的名稱。 它相當稀有，在等距系統中結晶。 氧化釷的熔點為 3300 °C，是所有已知氧化物中熔點最高的。 只有少數元素（包括鎢和碳）和少數化合物（包括碳化鉭）具有較高的熔點。 所有釷化合物，包括二氧化釷，都具有放射性，因為釷沒有穩定的同位素。

釷以兩種多晶型存在。 一種具有螢石晶體結構。 這在二元二氧化物中并不常見。 （其他具有螢石結構的二元氧化物包括二氧化鈰、二氧化鈾和二氧化钚。）氧化釷的帶隙約為 6 eV。 四方晶型的氧化釷也是已知的。

二氧化鈦比一氧化釷 (ThO) 更穩定。 只有仔細控制反應條件，釷金屬的氧化才能生成一氧化物而不是二氧化物。 在極高的溫度下，二氧化物可以通過高于 1,850 K（1,580 °C; 2,870 °F）的歧化反應（與液態釷金屬平衡）或通過高于 2,500 K（2,230 攝氏度；4,040 華氏度）。

二氧化釷（氧化釷）可用作核反應堆中的陶瓷燃料芯塊，通常包含在包覆有鋯合金的核燃料棒中。 釷是不可裂變的（但可增殖，在中子轟擊下產生可裂變的鈾 233）； 因此，它必須與鈾或钚的裂變同位素一起用作核反應堆燃料。 這可以通過將釷與鈾或钚混合，或將其以純凈形式與單獨的含有鈾或钚的燃料棒結合使用來實現。 二氧化鈾與傳統的二氧化鈾燃料芯塊相比具有優勢，因為它具有更高的導熱性（較低的工作溫度）、相當高的熔點和化學穩定性（與二氧化鈾不同，在水/氧氣存在下不會氧化）。

通過將二氧化鈾培育成鈾 233，可以將其轉化為核燃料（有關更多信息，請參閱下文并參閱有關釷的文章）。 二氧化釷的高熱穩定性使其可以應用于火焰噴涂和高溫陶瓷。

二氧化鎢在鎢極氬弧焊、電子管和飛機燃氣渦輪發動機中用作鎢電極的穩定劑。 作為一種合金，含釷鎢金屬不易變形，因為高聚變材料氧化釷增強了高溫機械性能，而釷有助于激發電子（熱離子）的發射。 由于成本低，它是最受歡迎的氧化物添加劑，但正在逐步淘汰，取而代之的是鈰、鑭和鋯等非放射性元素。

氧化釷彌散鎳可用于各種高溫操作，如內燃機，因為它是一種良好的抗蠕變材料。 它還可以用于氫捕獲。

二氧化鈦作為商業催化劑幾乎沒有價值，但此類應用已得到充分研究。 它是 Ruzicka 大環合成中的催化劑。 已探索的其他應用包括石油裂解、將氨轉化為硝酸和制備硫酸。

二氧化合物是 Thorotrast 的主要成分，Thorotrast 是一種曾經很常見的用于腦血管造影的放射造影劑，但在給藥多年后會導致一種罕見的癌癥（肝血管肉瘤）。 這種用途被可注射的碘或可攝入的硫酸鋇懸浮液取代，作為標準的 X 射線造影劑。

過去的另一個主要用途是由卡爾·奧爾·馮·韋爾斯巴赫 (Carl Auer von Welsbach) 于 1890 年開發的燈籠氣體罩，其由 99% 的 ThO2 和 1% 的氧化鈰 (IV) 組成。 甚至在 1980 年代，據估計所有生產的 ThO2 中約有一半（每年數百噸）用于此目的。

一些地幔仍然使用釷，但氧化釔（或有時氧化鋯）越來越多地被用作替代品。

當添加到玻璃中時，二氧化釷有助于提高其折射率并降低色散。 這種玻璃可用于照相機和科學儀器的高質量鏡頭。 這些鏡頭的輻射會在數年內使它們變暗并變黃并使膠卷退化，但健康風險很小。 長時間暴露在強烈的紫外線輻射下，發黃的鏡片可能會恢復到原來的無色狀態。