天王星的大气由 83% 的氢、15% 的氦、2% 的甲烷与少量的乙炔和其他碳氢化合物组成。上层大气中的甲烷吸收红光，使得天王星呈现出蓝绿色。大气层中排列着在各个纬度运行的云层，其形成机制与木星和土星鲜明的纬度云带相似。天王星中纬地区的风向与行星自转方向保持一致，风速在每秒 40-160 米之间。射电科学实验发现，在赤道地区，风速保持在每秒 100 米，但方向正好相反。

天王星最著名的特征是其倾斜的姿态。导致它保持这个不寻常的姿势的原因，可能是由于在太阳系形成的初期一个行星大小的天体与它发生过碰撞。旅行者 2 号发现，这个倾斜的姿势给天王星带来的最让人吃惊的影响是在给它的磁场所造成的后果，它的磁场轨迹与其自转轴有 60 度的夹角。行星的自转把磁场扭曲成了长长的螺旋形。磁场的成因尚未明了；原本以为在其内核和大气之间存在着的一个由水和氨水组成的导电的、超高压的海洋看起来并不存在。地球和其他行星磁场的成因据信是由于它们熔化的内核所导致的电流作用。

天王星的一个独特之处是它的自转方式。其它行星基本上自转轴都与公转平面接近垂直而运动，唯独天王星自转轴的倾斜度竟达到98度，几乎是以躺着的姿势绕太阳运转。

天王星大气中的主要成份是氢(83％)、氦(15%)和甲烷(2％)。在厚厚的大气之下是深达8000千米的汪洋大海，但与地球上的大海相比它的温度高得惊人，将近有4000℃，比炼钢炉里的钢水温度还高。

天王星也拥有光环，那是在1977年的一次天王星掩食恒星的观测中发现的。天王星共有11层光环，不同的环有不同的颜色，给这颗遥远的行星增添了新的光彩。

天王星已确认有20颗卫星，包括几颗新发现但暂未正式命名的卫星，是九大行星中拥有卫星最多的行星。

另外还可能存在着大量的窄环，它们是一些可能还未成形的环，或许还刚刚开始排列成一个弧形，它们的宽度仅有 50 米。单独的环的反射率非常低。至少有一条环，即第五环是灰色的。天王星的卫星 Cordelia 和 Ophelia 扮演着第五环的看守卫星的角色。