Нептун було відкрито 23 вересня 1846 року, і він став першою планетою, відкритою завдяки математичним розрахункам, а не шляхом регулярних спостережень. Припущення про наявність планети були пов'язані з непередбаченими змінами в орбіті Урана, гравітаційнісили якої могли призвести до появи цих відхилень. Згодом Нептун було знайдено неподалік розрахованого розташування. Незабаром було відкрито і його супутник Тритон, проте інші 14 супутників, які відомі зараз, були відкриті лише у XX столітті. Повз Нептун пролітав тільки один космічний апарат — «Вояджер-2», 25 серпня 1989 року.

Нептун за своїм складом близький до Урана, а обидві ці планети відрізняються за складом від інших планет-гігантів — Юпітера таСатурна. Інколи Уран та Нептун відносять до окремої категорії «крижаних гігантів». Атмосфера Нептуна, подібно до атмосфери Юпітера та Сатурна, складається в основному з водню та гелію. Сліди метану в зовнішніх шарах атмосфери є причиною синього забарвлення планети.

В атмосфері Нептуна бушують найсильніші вітри серед усіх планет Сонячної системи. За деякими оцінками, їх швидкість може досягати 2100 км/год^[6]. Під час прольоту «Вояджера-2» 1989 року в південній півкулі Нептуна було виявлено так звану Велику темну пляму, аналогічну Великій червоній плямі на Юпітері. Температура у верхніх шарах атмосфери Нептуна — близько −220 °C. У центрі планети температура за різними оцінками становить від 5400 K до 7000—7100 °C, що відповідає температурі на поверхні Сонця та в ядрі більшості відомих планет. У Нептуна є слабка та фрагментована кільцева система, можливо, виявлена ще в 1960-і роки, але достеменно підтверджена лише «Вояджером-2» 1989 року.

1948 року на честь відкриття планети названо новий хімічний елемент під номером 93 — нептуній. 12 липня 2011 року минув рівно один нептуніанський рік (або 164,79 земних років) від часу відкриття Нептуна 23 вересня 1846 року.

Нептун має масу 1,0243×10²⁶ кг та екваторіальний радіус 24 764 км. Прискорення вільного падіння на поверхні цієї планети в середньому в 1,14 разів більше за земне, серед планет Сонячної системи більше має лише Юпітер. Середня густина Нептуна (1,66 г/см³) майже втричі менша за земну.

Нептун рухається навколо Сонця еліптичною, близькою до кругової, орбітою (ексцентриситет 0,009); його середня відстань від Сонця у 30 разів більша, ніж у Землі, і становить приблизно 4497 млн км. Це значить, що світло від Сонця до Нептуна іде трохи більше ніж 4 години. Тривалість «нептуніанського року», тобто час одного повного оберту навколо Сонця — 164,8 земних років. Власне обертання настільки швидке, що доба на Нептуні триває всього 16 годин. Осьовий нахил Нептуна — 28,32 °^[10], що схоже на нахил осі Землі та Марса. Внаслідок цього планета відчуває схожі сезонні зміни. Через довгий орбітальний період Нептуна сезони тривають близько сорока років кожний. Оскільки Нептун не має твердої поверхні, його атмосфері властиве диференціальне обертання. Широка екваторіальна зона обертається з періодом приблизно 18 годин, що повільніше, ніж 16,1-годинне обертання магнітного поля планети. На противагу екватору, полярні області роблять оборот за 12 годин. Серед усіх планет Сонячної системи такий вид обертання найбільш яскраво виражений саме у Нептуна . Це призводить до сильного широтного зрушення вітрів

Атмосфера Нептуна — це здебільшого водень і гелій з невеликою домішкою метану: синій колір Нептуна є результатом поглинання цим газом червоного світла в атмосфері, як на Урані. В атмосфері Нептуна міститься у більшій пропорції лід: водний, аміачний,метановий. Також в його атмосфері є сліди вуглеводнів і, можливо, азоту. Товщина атмосфери — від 10 до 20% радіуса поверхні, а її маса — не менше 5 і не більше 10% маси планети. В нижніх шарах збільшується концентрація метану, водяної пари та аміаку, максимальний тиск — 10 ГПа, в 100 000 разів більший земного. Загалом Нептун має хімічний склад, мабуть, подібний до Урана: різні летючі речовини (водень, метан, вода, аміак та ін.), які містять близько 80% водню і невелику кількість гелію. Як і Уран, та на відміну від Юпітера з Сатурном, Нептун, можливо, не має чіткого внутрішнього розшарування. Але найбільш вірогідно, що у нього є невелике тверде ядро (рівне 1,2 маси Землі). Ядро Нептуна, як і Урана, складається здебільшого з льоду й каменю. В атмосфері Нептуна було виявлено явища, схожі з земними полярними сяйвами.

Подібно до типових газових планет, Нептун відомий сильними бурями й вихорами, швидкими вітрами, що дмуть на обмежених смугах, поряд з екватором. Вітри дмуть на Нептуні в західному напрямку, проти обертання планети. У низьких широтах вітер дме паралельно екватору у зворотному напрямку, його швидкість становить близько 100 м/сек. Слід зауважити, що в планет-гігантів швидкість потоків і плинів у їхніх атмосферах збільшується з відстанню від Сонця. Ця закономірність поки що не має пояснення. На знімках можна побачити хмари в атмосфері Нептуна. Подібно до Юпітера й Сатурна, Нептун має внутрішнє джерело тепла — він випромінює більш ніж удвічі енергії, ніж одержує від Сонця. Таке інтенсивне інфрачервоне випромінювання свідчить про нагрівання, імовірно, спричинене гравітаційним стисненням планети.

Одна з відмінностей між Нептуном та Ураном — рівень метеорологічної активності. «Вояджер-2», що пролітав поблизу Урана в 1986 році, зафіксував украй слабку активність атмосфери. На противагу Урану, Нептун демонстрував помітні погодні зміни під час зйомки з «Вояджер-2» в 1989 році.

 

Велика темна пляма (вгорі), Скутер (біла трикутна хмарка посередині), і Мала темна пляма (внизу).

Погода на Нептуні характеризується надзвичайно динамічною системою штормів, з вітрами, що досягають майже надзвукових швидкостей^[19]. Максимальна зареєстрована швидкість вітру на Нептуні досягала 600 м/с, що є рекордом для Сонячної системи. У ході відстеження руху постійних хмар було зафіксовано зміну швидкості вітру від 20 м/с у східному напрямку до 325 м/с на західному^[21]. У верхньому хмарному шарі швидкості вітрів різняться від 400 м/с вздовж екватора до 250 м/с на полюсах. На високих широтах напрям вітрів збігається з напрямком обертання планети, а на середніх та низьких протилежний йому. Відмінності в напрямку повітряних потоків, ймовірно, мають поверхневий характер і не пов'язані з глибинними атмосферними процесами^]. Вміст в атмосфері метану, етану таацетилену в області екватора перевищує в десятки та сотні разів вміст цих сполук в області полюсів. Це спостереження може вважатися свідченням на користь існування апвелінга на екваторі Нептуна і його зниження ближче до полюсів. У 2007 році було відмічено, що верхня тропосфера південного полюса Нептуна була на 10 °C тепліше, ніж інша частина Нептуна, де температура в середньому становить −200 °C. Така різниця в температурі достатня, щоб метан, який в інших областях верхній частині атмосфери Нептуна знаходиться в замороженому вигляді, на південному полюсі просочувався в космос. Ця «гаряча точка» — наслідок осьового нахилу Нептуна, південний полюс якого вже чверть нептуніанського року, тобто приблизно 40 земних років, звернений до Сонця. У міру того, як Нептун буде повільно просуватися по орбіті до протилежної сторони Сонця, південний полюс поступово піде в тінь, і Нептун підставить Сонцю північний полюс. Таким чином, вивільнення метану в космос переміститься з південного полюса на північний.

Через сезонні зміни хмарні смуги в південній півкулі Нептуна, як спостерігалося, збільшилися в розмірі та альбедо. Ця тенденція була помічена ще 1980 року, і, як очікується, триватиме до 2020 з наступом на Нептуні нового сезону. Сезони змінюються кожні 40 років

Нептун також має кільця — два широких і два вузьких. Їх було відкрито під час затемнення Нептуном однієї з зірок 1981 року. Спостереження з Землі дозволили побачити тільки слабкі дуги замість повних кілець, але фотографії «Вояджера-2» в серпні 1989-го року показали їх повністю. Одне з кілець має складну викривлену структуру. Подібно Урановим і Юпітеровим, кільця Нептуна дуже темні й будова їх невідома. Можливо, кільця складаються з льоду, покритого силікатами чи вуглецевмісним матеріалом, що надає їм червонуватий відтінок. Їм дали наступні назви: зовнішнє — Адамс (яке містить три дуги, що виділяються, які охрестили Свободою, Рівністю і Братерством), потім — безіменне кільце, що збігається з орбітою супутника Нептуна Галатеї, слідом — Левер'є (чиї зовнішні розширення названі Ласселл і Араго), і, нарешті, слабке, але широке кільце Галле. Як видно, назви кілець увіковічили тих, хто брав участь у відкритті Нептуна.

Нептун має 14 супутників, що названі іменами морських божеств в грецькій міфології