Er besitzt einen kleinen Gesteinskern, der von einem Mantel aus gefrorenem Wasser, Methan und Ammoniak umgeben ist. Sein Durchmesser ist fast viermal so groß wie der der Erde. Die äußere Atmosphäre besteht im wesentlichen aus molekularem Wasserstoff sowie 15 bis 20 Massenprozent Helium und geringen Mengen Methan. Johann Gottfried Galle entdeckte Neptun am 23. September 1846 am Berliner Observatorium, nachdem John Couch Adams in England und Urbain J. J. Leverrier in Frankreich seine Existenz und seine Position am Himmel unabhängig voneinander vorausgesagt hatten. Ihre Berechnungen basierten auf Differenzen zwischen der vorausgesagten und der tatsächlich beobachteten Bahn des Uranus seit seiner Entdeckung im Jahre 1781, die sie der Schwerkraftwirkung eines unbekannten Planeten zuschrieben. Von der Erde aus gesehen ist Neptun ein Objekt 7. oder 8. Größe und damit mit bloßem Auge nicht sichtbar. Mit starker Vergrößerung und einem großen Teleskop erscheint der Planet als blaue Scheibe, deren Färbung von Methan in der oberen Atmosphäre herrührt. Im optischen Bereich lassen sich von der Erde aus keine Oberflächendetails ausmachen, lediglich im Infraroten erscheinen helle Flecken. Im August 1989 machte die Sonde Voyager 2 erstmals Nahaufnahmen von dem Planeten. Beobachtungen mit dem Hubble Space Telescope (HST), das atmosphärische Details erkennen kann, begannen 1994. Neptun ähnelt in mancherlei Hinsicht, etwa in Größe und Aufbau, seinem Nachbarplaneten Uranus. Im Gegensatz zu Uranus gibt es in der sehr dynamischen Neptunatmosphäre jedoch zahlreiche Wolkenstrukturen. Das auffälligste war der Große Dunkle Fleck, den Voyager 2 entdeckt hatte, der eine ähnliche Ursache zu haben scheint wie der Große Rote Fleck auf Jupiter. Etwa 20¡ südlich des Äquators rotiert er gegen den Uhrzeigersinn mit einer Periode von 16 Tagen. Oberhalb von ihm bilden sich helle, zirrusähnliche Wolken und weitere, kleine dunkle Flecken. Allerdings war er bei den Beobachtungen des HST 1994 völlig verschwunden. Mittlerweile hat sich ein anderer dunkler Fleck, den Voyager nicht gesehen hat, auf der Nordhalbkugel gebildet. Auch er wurde von hellen Wolken begleitet. Spätere Beobachtungen mit dem HST zeigten, daß sich die Wolkenmuster ändern, die darunter liegende Bandstruktur der Atmosphäre aber stabil bleibt. Es gibt zwei wesentliche Wolkenschichten in der oberen Atmosphäre. Die höchste besteht aus Methaneiskristallen, darunter liegt eine durchsichtigere Schicht, die möglicherweise gefrorenes Ammoniak und Wasserstoffsulfit aufweist. Darüber hinaus existiert ein sehr hoch liegender Dunst aus Kohlenwasserstoffen, die durch die Einwirkung des Sonnenlichts auf das Methan entstehen. Voyager 2 registrierte regelmäßige Radioausbrüche. Neptun besitzt also ein Magnetfeld und ist von einer Magnetosphäre umgeben. Die Ausbrüche ereignen sich in Abständen von 16,11 Tagen, was offensichtlich der Rotationsperiode des festen Kerns entspricht. Die atmosphärischen Gebilde rotieren hingegen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bewegen sich darüber hinaus über verschiedene Breiten hinweg. Windgeschwindigkeiten bis zu 2 200 km/h wurden gemessen. Die Magnetfeldachse ist um 47¡ gegen die Rotationsachse geneigt. Man vermutet, daß das Magnetfeld eher im Mantel als im Kern entsteht. Aus der insgesamt abgestrahlten Energie ergibt sich eine mittlere Temperatur von 59 Kelvin. Bis heute ist unklar, warum Neptun 2,7mal mehr Energie abstrahlt, als er von der Sonne erhält. Bereits von der Erde aus hatte man bei Sternbedeckungen des Planeten Hinweise auf die Existenz von nicht vollständigen 'Ringbögen' erhalten. Voyager 2 entdeckte nun vier dünne Ringe, die an einigen Stellen Verdickungen besaßen. Dieses waren die von der Erde aus registrierten Ringfragmente. Darüber hinaus fand man mit der Sonde sechs weitere Monde, so daß die Gesamtzahl zusammen mit den damals bereits bekannten Triton und Nereide auf insgesamt acht anwuchs. Einer der neu entdeckten Monde, Proteus, ist mit einem Durchmesser von 400 Kilometern sogar doppelt so groß wie Nereid.