由於海王星距離較遠，光度較暗，即使使用大型望遠鏡也很難看到其表面細節，因此無法通過觀察表面標誌物的移動來確定其自轉周期。作為壹顆典型的氣體行星，海王星咆哮著呈帶狀分布的大風暴或氣旋。海王星上的風暴是太陽系中速度最快的，時速可達2000公裏。
海王星的藍色是由大氣中的甲烷吸收陽光中的紅光造成的。雖然海王星是壹顆寒冷荒涼的行星，但科學家推測它內部有熱源。像土星和木星壹樣，海王星輻射的能量是它吸收太陽能的兩倍多。因為海王星是壹顆淺藍色的行星，所以人們按照傳統的行星命名方法稱之為“海王星”。“海王星”是羅馬神話中統治海洋的海神。它容納了1/3的宇宙，相當神奇。
1612，12年2月28日，意大利物理學家、天文學家伽利略首次觀測並描述了海王星，並於16月27日再次觀測。但由於觀測位置在夜空中靠近木星，這兩次機會都讓伽利略將海王星誤認為恒星。
當時海王星正轉向逆行位置。因為倒退開始時的運動還很小，伽利略的小望遠鏡無法探測到其位置的變化。
1843年，英國數學家和天文學家約翰？柯西？亞當斯計算出天王星的軌道，並告訴皇家天文學家喬治？艾莉，他問了亞當斯壹些計算問題。亞當斯起草了答案，但沒有回復。
1846年，法國理工大學的天文老師列維憑著自己的熱情獨立計算出了海王星的位置。然而，同年，英國科學家約翰？赫歇爾也開始支持用數學方法尋找行星，並說服了詹姆斯？查爾斯開始著手此事。
幾經耽擱，查爾斯才勉強在7月1846開始尋找；同時，李維還說服了柏林天文臺的約翰？戈弗雷。凱勒尋找行星。當時還是柏林天文臺學生的達赫斯特說，他剛剛完成了列維預測天空區域的最新星圖，可以作為尋找新行星時與恒星對比的參考圖。1846年9月23日夜，海王星被發現，距離列維預測的位置不到1度，但距離亞當斯預測的位置10度。事後，查爾斯發現他在8月份觀測過兩次海王星，但由於當時工作疏忽，沒有進壹步檢查。
海王星看起來是藍色的，因為它的大氣中有甲烷。海王星的大氣是85%的氫，13%的氦，2%的甲烷，還有少量的氨。海王星可能有壹個固體核心，其表面可能覆蓋著壹層冰。外部大氣可以是分層的。海王星表面溫度為-218度，表面風速可達每小時2000公裏。
此外，海王星還有磁場和極光，以及甲烷被太陽照射產生的煙霧。海王星的赤道半徑為24750公裏，是地球的3.88倍。海王星呈扁圓形，體積是地球的57倍，質量是地球的17.22倍，平均密度是每立方厘米1.66克。
海王星是太陽系第三大行星，僅次於木星和土星。海王星和天王星通常被歸類為木質行星的壹個子類，即遙遠行星，因為它們的質量小於典型的木質行星，其密度、成分和內部結構也與木質行星有顯著差異。在尋找太陽系外行星領域，海王星作為壹個通用的代號，指的是已經發現的與海王星質量相近的系外行星，就像天文學家常說的那些系外行星“木星”。
由於軌道遠離太陽，海王星從太陽獲得的熱量很少，所以海王星大氣層頂部的溫度只有零下218度。從大氣層頂部到內部，溫度穩步上升。與天王星類似，行星內部的熱量來源仍然未知，但實際現象是顯著的。
作為太陽系最外層的行星，海王星的內部能量足夠大，可以維持太陽系所有行星系統中已知的最高速度風暴。其內部熱源有幾種解釋，包括行星內核的輻射熱源、行星形成過程中吸積盤坍縮能量的散熱、重力波對平流層界面的擾動等。海王星和天王星的內部結構相似。行星核心是巖石和冰的混合物，質量可能不超過地球。海王星地幔總質量相當於10-15個地球質量，富含水、氨、甲烷等成分。
作為壹種行星慣例，這種混合物被稱為“冰”，盡管它實際上是壹種高度壓縮的過熱流體。這種高導電性流體通常也稱為“水”。
大氣層從頂部到中心包括10%-20%，上層大氣主要由80%的氫氣和19%的氦氣組成。甲烷、氨和水的含量隨著高度的降低而增加。內大氣層底部溫度越高，密度越大，然後逐漸與行星地幔的過熱液體混合。
海王星內核的壓力是地球表面大氣壓的數百萬倍。通過對比轉速和扁率可以看出，海王星的質量分布沒有天王星集中。
這顆藍色的行星有壹個微弱的天藍色光環，但它離土星很遠。當這些環被愛德華領導的團隊發現時，它們曾被認為是不完整的。然而，旅行者2號的發現表明事實並非如此。
這些行星環具有特殊的“樁狀”結構，其成因目前未知，但可能歸因於附近軌道上的小衛星的引力相互作用。壹些學者認為，海王星環不完整的證據最早出現在20世紀80年代中期，當時觀測到海王星在掩星前後有壹次偶然的額外“閃光”。旅行者2號在1989年拍攝的圖像發現了這個包含幾個弱環的行星環系統，從而解決了這個問題。最外面的環“亞當斯”包含三個不同的弧。弧的存在是很難理解的，因為運動定律預言弧要在短時間內變成均勻分布的圓環。目前，人們認為環內衛星Triton的重力限制了弧的運動。
旅行者號的相機還發現了其他幾個環。除了距離海王星中心63000公裏的狹窄的亞當斯環，列維環距離中心53000公裏，更寬更暗的蓋爾環距離中心42000公裏。李維環外的暗淡環命名為羅素；更遠的地方是阿拉戈環，距離中心57000公裏。最新公布的2005年對地球的觀測結果顯示，海王星的環比比原來認為的更不穩定。凱克天文臺在2002年和2003年拍攝的圖像顯示，與旅行者2號拍攝的圖像相比，海王星環已經明顯惡化。壹些年輪可能會在壹個世紀左右消失。
由於路途遙遠，只有壹艘飛船“旅行者2號”在1989年8月25日造訪過海王星。同壹天，旅行者2號到達了離海王星最近的地方。因為這是旅行者2號將要飛往的最後壹顆大行星，所以沒有後續的軌道限制。它的軌道非常靠近衛星Triton，就像旅行者1在飛越土星及其衛星Titan時選擇的那樣。這次探索發現了壹個大黑點，但後來用哈勃太空望遠鏡觀測海王星時，發現這個大黑點已經消失了。壹開始大黑點被認為是大雲，後來推斷應該是可見雲的壹個洞。
旅行者2號也飛到了海衛壹上，發現海衛壹確實是太陽系中唯壹壹顆向行星自轉方向逆行的大型衛星，也是太陽系中最冷的天體。它比原先想象的更亮、更冷、更小。地表溫度零下240度，部分地區冰雪覆蓋，經常下雪。上面有三座冰與火的山，凍結的甲烷或氮冰粒已經噴射出來，有時達到32公裏的高度。海衛壹上可能有液氮海洋和冰川湖，到處都是斷層、山脈、峽谷和冰川，這表明海衛壹上可能發生過類似的地震。海衛壹有壹層由氮氣組成的稀薄大氣，其極冠被氮氣凍結，形成壹個耀眼的白色世界。