双β衰变（double-β decay）是原子核的一种稀有衰变模式。这一过程中原子核中的一对中子转变为一对质子（或者相反的转变），同时从原子核中释放出一对电子（或一对正电子）和一对反中微子（或者一对中微子）。

相对于常见的原子核β衰变而言，这一既放电子又放中微子的双β衰变是一种概率很小的二阶弱相互作用过程，只在某些特殊的原子核上才可实现。第一个成功观测到释放中微子和电子的双β衰变现象的实验是在1992年，所观测的原子核是82Se。以后在另外几个原子核上也观测到双β衰变。

现对双β衰变十分重视，原因是因为除了这种既放电子又放中微子的双β衰变模式外，还可能存在另一只放电子而不放中微子的无中微子双β衰变模式。后一种模式中中微子只是作为“虚粒子”，被第一个核子放出后，随即被第二个核子所吸收不作为真实粒子出现。因此，衰变终态中没有中微子。实现这种衰变模式的条件很严格，首先要求中微子质量不是零，且中微子是绝对中性的，即中微子和反中微子不可区分。

一旦实验证明无中微子双β衰变确实存在，将使人们对中微子性质的了解迈进了一大步。但是，由于实验十分困难，尽管有人宣布看到这种现象的迹象，但可靠的实验结论尚需时日。

1970 年，吴健雄等曾经报道了一次在美国克里夫兰附近的一个 600 余米深的盐矿井内进行的双β衰变实验。实验选在深矿井内是为了尽量减少高能宇宙射线的辐射。

双β衰变这个概念最初由玛丽亚·格佩特-梅耶于1935年提出。埃托雷·马约拉纳于1937年证明了若中微子为其自身的反粒子，则β衰变理论的所有结果不变，因此有这种特性的粒子被称为马约拉纳粒子温德尔·弗里于1939年提出若中微子为马约拉纳粒子的话，则双β衰变能够在不射出任何中微子的情况下进行，这个过程被称为无中微子双β衰变。现时仍未知道中微子是否马约拉纳粒子，亦未知道无中微子双β衰变是否存在于自然之中。

弱相互作用的宇称破缺在1930至40年代尚未被发现，因此造成了相关计算指出无中微子双β衰变的出现率应该要比寻常双β衰变要高得多。半衰期的预测值在10年的数量级上。早在1948年，爱德华·法厄曼在用盖革计数器直接量度锡-124的半衰期时就第一次尝试了在实验中观测这个过程。整个1960年代的放射性测量实验都得出反面结果或伪正面结果，这些结果在后来的实验都未能重现。物理学家于1950年在使用地球化学方法第一次成功量度到碲-130的双β衰变半衰期为1.4×10年，与现代的测量值相当接近。

在弱相用作用的V−A性质确立的1956年后，无中微子双β衰变的半衰期就变得很明显地应该要比寻常β衰变要长得多。尽管实验技巧在1960至70年代得到重大的跃进，但是双β衰变要在1980年代才能在实验室观测得到。实验只成功确立了半衰期的下限约在10年。与此同时，地球化学实验探测到了硒-82和碲-128的双β衰变。

最早在实验室成功观测到双β衰变的是加州大学尔湾分校迈克尔·莫伊（Michael Moe）的团队，他们于1987年到硒-82的这个过程。自此以后，不少实验都成功观测到其他同位素的寻常双β衰变。但上述实验中没有一个能为无中微子过程提供正面的结果，因此其半衰期下限被提高至约为10年。地球化学实验继续于整个1990年代发展，在数种同位素中得出了正面的结果。双β衰变是已知放射性衰变中最罕见的：至2012年为止只有在12种同位素中观测到这个过程（包括2001年所观测到钡-130的双电子捕获），而所有已知双β衰变过程的平均寿命都在10年以上。

在双β衰变中，原子核内的两中子变成质子，并射出两电子及两电子中微子。这个过程可被视为两次负β衰变的总和。要使（双）β衰变变得可行，衰变所产生原子核的结合能必须比原来的大。对某些像锗-76的原子核而言，原子数高一的原子核有着较低的结合能，因此阻止了β衰变的发生。然而，原子数高二的原子核（硒-76）则有较大的结合能，因此可以发生双β衰变。

对某些原子而言，这个过程原子核吸收两个轨道电子（双电子捕获），把两个质子转换成两个中子并射出两个电子中微子。若衰变物与衰变产物的原子质量差超过1.022MeV/c（电子质量的两倍）的话，还可以发生另一衰变，捕获一轨道电子并射出一正电子。当质量差超过2.044MeV/c（电子质量的四倍）时，可以射出两正电子。但这些理论衰变分支仍未被观测到。