海王星云层的平均温度为零下193摄氏度至零下153摄氏度，大气压约为1-3帕。海王星上有明显的狭长而明亮的云层，它与地球上的藤蔓状云十分相似。在北半球的低纬度，“旅行者”号曾拍到过条状云投在下层云体上的阴影。

  海王星是个多变的行星，它有几个巨大的黑斑，让人想起木星风暴“大红斑”。最大的一个“大黑斑”有地球那么大。

  海王星上也有像其它行星一样的强风。相对于行星的自转方向，大多数风向都是向西吹的。大黑斑附近风速可以达到每小时2000公里。

海王星和天文学的主要大气成份都是氢和氦，内部结构也极为相似，好似一对孪生兄弟。海王星是典型的气体行星，大气中有许多湍急紊乱的气旋和风暴在翻滚。在海王星的南半球有一个醒目的大黑斑，天文学家认为它是一个大气旋，是强烈的风暴区域。

海王星也有光环。在地球上只能观察到暗淡模糊和不连续的圆弧。人们对其的内部结构仍然知之甚少。

海王星有8颗已知卫星。在1989年旅行者2号空间探测器飞抵海王星之前，一般认为海王星只有两颗卫星，即海卫一和海卫二。飞近探测后又发现了6颗较小的卫星，从而使海王星的卫星总数达到8颗。

海王星是所谓从“笔尖下发现的行星”。天王星发现后不久，人们注意到天王星的运动颇为反常，总是偏离天体力学计算的轨道。于是便推测天王星轨道之外可能还存在一颗行星，它的引力作用使天王星的轨道运动受到干扰，也就是天文学上所谓的“摄动”影响。1845年到1846年，英国的亚当斯和法国的勒维耶这两位年轻人，根据牛顿万有引力和运动定律，分别独立进行了计算，他们反过来从天王星运动的偏差去估计摄动的大小, 从而推算出未知行星的位置。依照他们的计算结果，1846年9月，柏林天文台的天文学家果然在预报位置附近发现了这颗新行星。海王星的发现，生动地证实了牛顿定律的正确性，体现出科学理论预言未知事物的无比威力。