Oxid thallný (Tl2O) je černý hygroskopický prášek tající při teplotě 300 °C, v tavenině silně leptajícísklo.
S vodou reaguje za vzniku nažloutlého roztoku hydroxidu thallného (TlOH). Lze ho připravit zahříváním TlOH nebo Tl2CO3 v nepřítomnosti vzduchu. Reakcí s oxidem uhelnatým lze z oxidu thallného snadno připravit kovové thallium.
Oxid thallný se využívá jako přísada do optických skel s vysokým indexem lomu.
Probíhá také výzkum jeho využití v oblasti vysokoteplotních supravodičů.