發現
在最早的觀測記錄中，伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）在1612年12月28日首度觀測并描繪出海王星，1613年1月27日又再次觀測，但因為觀測的位置在夜空中都靠近木星（海王星與木星處在合的位置），這兩次機會伽利略都誤認海王星是一顆恒星。因此，海王星的發現并不歸功于他。1612年12月，他第一次觀測海王星時，海王星在天空中幾乎是靜止的，因為那天它剛好逆行了。這種明顯的反向運動是當地球的軌道經過一顆外行星時産生的。因為海王星才剛剛開始它的年度逆行周期，這顆行星的運動太微弱了，伽利略的小型望遠鏡無法觀測到。2009年，墨爾本大學的物理學家大衛·傑美生宣稱，有新的證據表明伽利略至少知道他看見的星星相對于背景的恒星有微量的相對運動。
在1821年，法國天文學家亞曆斯·布瓦爾（Alexis Bouvard）出版了天王星的軌道表，随後的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差，使得布瓦爾假設有一個攝動體存在。在1843年約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道，并将計算結果皇家天文學家喬治·艾裡，他問了亞當斯一些計算上的問題，亞當斯雖然草拟了答案但未曾回複。在1846年，法國工藝學院的天文學教師奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）在得不到同行的支持下，以自己的熱誠獨立完成了海王星位置的推算。但是，在同一年，約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星，并說服詹姆斯·查理士着手進行。在多次耽擱之後，查理士在1846年7月勉強開始了搜尋的工作；而在同時，勒維耶也說服了柏林天文台的約翰·格弗裡恩·伽勒（Johann Gottfried Galle）搜尋行星。當時仍是柏林天文台的學生達赫斯特（Heinrich d'Arrest）表示正好完成了勒維耶預測天區的最新星圖，可以作為尋找新行星時與恒星比對的參考圖。在1846年9月23日晚間，海王星被發現了，與勒維耶預測的位置相距不到1°，但與亞當斯預測的位置相差10°。事後，查理士發現他在8月時已經兩度觀測到海王星，但因為對這件工作漫不經心而未曾進一步的核對。
由于民族優越感和民族主義的影響，使得發現海王星在英法兩國餘波蕩漾，國際間的輿論最終迫使勒維耶接受亞當斯也是共同的發現者。然而，在1998年，史學家才得以重新檢視天文學家奧林·艾根（Olin Eggen）遺産中的海王星文件（來自格林威治天文台的曆史文件，明顯是被奧林·艾根竊取近三十年，在他逝世之後才得重見天日），在檢視過這些文件之後，有些史學家認為亞當斯不應該得到如同勒維耶的殊榮。
命名
發現之後的一段時間，海王星不是被稱為天王星外的行星就是勒維耶的行星。伽雷是第一位建議取名的人，他建議的名稱是Janus（羅馬神話中看守門戶的雙面神）。在英國，查理士将之命名為Oceanus；在法國，Arago建議稱為勒維耶，以回應法國之外強烈的抗議聲浪。
法國天文年曆當時以赫歇耳稱呼天王星，相對于以勒維耶稱呼這顆新發現的行星。同時，在分開和獨立的場合，亞當斯建議修改天王星的名稱為喬治，而勒維耶經由經度委員會建議以Neptune（海王星）作為新行星的名字。Struve在1846年12月29日于聖彼得堡科學院挺身而出支持勒維耶建議的名稱。
很快的，海王星成為國際上被接受的新名稱。在羅馬神話中的Neptune（尼普頓）等同于希臘神話的Poseidon（波塞冬），都是海神，因此中文翻譯成海王星。新發現的行星遵循了行星以神話中的衆神為名的原則，而除了天王星之外，都是在遠古時代就被命名的。中文及韓文、日文和越南文的漢字寫法都是“海王星”。在印度，這顆行星的名稱是Varuna（Devanāgarī），也是印度神話中的海神，與希臘-羅馬神話中Poseidon或Neptune的意義是相同的。在蒙古，海王星稱為Dalain Van(Далайнван)，反映了其同名神的角色是大海的統治者。在現代希臘，人們仍舊将海王星稱為波塞冬（Ποσειδώνας,Poseidonas）。在希伯來語中，2009年希伯來語學院投票将海王星的名稱稱為רהב（Rahab），來自《聖經》中提到的海怪，盡管現有的拉丁詞Neptun(נפטון)更為常用。在納瓦特爾語中，海王星被以雨神Tlāloc的名字命名為Tlāloccītlalli。
從1846年發現海王星到1930年發現冥王星之前，海王星是已知最遠的行星。當冥王星被發現時，冥王星被認為是一顆行星，因此海王星成為已知的第二遠的行星，除了在1979年到1999年之間，冥王星的橢圓軌道使它比海王星離太陽更近。1992年柯伊伯帶的發現導緻許多天文學家争論冥王星應該被認為是一顆行星還是柯伊伯帶的一部分。2006年，國際天文聯合會首次定義了“行星”一詞，将冥王星踢除太陽系重新歸類為“矮行星”，使海王星再次成為太陽系最外層的行星。
星體運動
公轉
海王星與太陽之間的平均距離為45億公裡，約30.1個天文單位（AU）。海王星的軌道周期（年）大約相當于164.79地球年,軌道傾角約為1.77°。海王星于2011年7月12日回到繞日公轉軌道上它被發現時的那個點。由于地球處于其365.25天周期軌道的不同地點，屆時從地球看到的海王星并不會處在它被發現時在天空中的那個位置。從地球上觀察，海王星沖日周期為367天，這些周期使它在2010年4月和7月以及2011年10月和11月接近1846年它被發現時的坐标。在2010年8月20日，海王星于發現它的1846年中的同一天再度沖日。
自轉
海王星的軸向傾角為28.32°，與地球（23°）和火星（25°）的傾角相似，因此，海王星經曆了與地球相似的季節變化。海王星的長軌道周期意味着四季持續40地球年。海王星的自轉周期（日）是15小時57分59秒。
因為海王星不是一個固體，它的大氣層會發生差速旋轉。寬赤道帶的自轉周期約為18小時，比星體磁場的16.1小時自轉慢。相反，在極性區域，旋轉周期為12小時，反之亦然。海王星的較差自轉是太陽系中最明顯的，它會導緻強烈的緯向風切變。
物理特性
質量
海王星的質量為1.0247e+26千克，是介于地球和巨行星（指木星和土星）之間的中等大小行星：它的質量是地球質量的17倍，是木星質量的1/18。因為它們質量較典型類木行星小，而且密度、組成成分、内部結構也與類木行星有顯著差别，海王星和天王星一起常常被歸為類木行星的一個子類：冰巨星。在太陽系外行星研究領域，海王星被用作一個通用代号，指所發現的有着類似海王星質量的系外行星，就如同天文學家們常常說的那些系外“木星”。
溫度
因為軌道距離太陽很遠，海王星從太陽得到的熱量很少，所以海王星大氣層頂端溫度隻有-218℃（55K），而由大氣層頂端向内溫度穩定上升。和天王星類似，星球内部熱量的來源仍然是未知的，而結果卻是顯著的：作為太陽系最外側的行星，海王星内部能量卻大到維持了太陽系所有行星系統中已知的最高速風暴。對其内部熱源有幾種解釋，包括行星内核的放射熱源，行星生成時吸積盤塌縮能量的散熱，還有重力波對平流圈界面的擾動。
成分
海王星内部結構和天王星相似。行星核是一個質量大概不超過一個地球質量的由岩石和冰構成的混合體。海王星地幔總質量相當于10到15個地球質量，富含水，氨，甲烷和其它成分。作為行星學慣例，這種混合物被叫作冰，雖然其實是高度壓縮的過熱流體。這種高電導的流體通常也被叫作水-氨海洋。大氣層包括大約從頂端向中心的10%到20%，高層大氣主由80%氫和19%氦組成。甲烷，氨和水的含量随高度降低而增加。更内部大氣底端溫度更高，密度更大，進而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。海王星内核的壓力是地球表面大氣壓的數百萬倍通過比較轉速和扁率可知海王星的質量分布不如天王星集中。
地幔
海王星的地幔相當于10到15個地球質量，富含水、氨和甲烷。按照行星科學的慣例，這種混合物被稱為冰，即使它是一種熱的、緻密的流體。一個由氫分子組成的導電性很強的水，它有時被稱為水的氫離子層，在更深層的高級離子水中，氧結晶，而氫離子在氧晶格中自由漂浮。
另有一些研究人員對鑽石熔點進行了詳細測量，當鑽石融化時就像是水冷凍和融化的過程，在液态形式之上漂浮着固定形式鑽石是一種非常堅硬的物質，它很難被融化。由于當鑽石在高溫下加熱熔化容易變成石墨，因此研究人員很難測量鑽石在變成石墨之前具體的熔點。科學家将鑽石暴露于高壓下使用激光轟擊鑽石表面，4000萬倍零海拔壓力的作用下，鑽石變成了液态。當壓力降低至零海拔1100萬倍，溫度降低至5萬攝氏度，固體成塊的鑽石便開始形成。
科學家發現一些事情并非他們之前所預計的那樣，當溫度降低至形成固态鑽石的狀态下，形成的固态鑽石并未沉下去，而是漂浮在液态鑽石的頂層，就像是鑽石冰川一樣。在海王星和天王星這樣的超大氣态行星上，存在着類似鑽石液化的超高溫度和壓力。如海王星，在7000千米的深度，甲烷分解成鑽石晶體，像冰雹一樣向下滴落。科學家還認為，這種鑽石雨還會發生在木星、土星和天王星上。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的超高壓實驗表明，地幔頂部可能是液态碳的海洋，上面漂浮着固體鑽石。
科學家唯一能确定海王星和天王星表面是否存在液态鑽石的方法就是發射科學探測器，或者在地球模拟這些氣态行星的環境特征但以上的方法成本都很高，需要多年時間進行準備。據悉，這項研究報告已發表在《自然物理學》期刊上。
核心
海王星的核心可能由鐵、鎳和矽酸鹽組成，内部的質量大約是地球的1.2倍。中心的壓力為7 Mbar（700 GPa），大約是地球中心的兩倍，溫度可能為5400 K。
大氣層
海王星的大氣占總質量的5%到10%，并向核心延伸了約10%到20%。在高海拔處，海王星的大氣層80%是氫，19%是氦，也存在着微量的甲烷。主要的吸收帶位于600納米以上波長的紅色和紅外線的光譜位置。與天王星比較，它的吸收是大氣層的甲烷部分，使海王星呈現藍色的色調，雖然海王星活潑的淡青色不同于天王星柔和的青色，由于海王星大氣中的甲烷含量類似于天王星，一些未知的大氣成分被認為有助于海王星的顔色。海王星的大氣層可以細分為兩個主要的區域：低層的對流層，該處的溫度随高度降低；和平流層，該處的溫度随着高度增加。兩層之間的邊界，對流層在氣壓為0.1巴（10kPa，1巴=0.1MPa=100kPa，約等于地球上1個标準大氣壓）處。平流層在氣壓低于10至10微巴（1至10Pa）處成為熱成層，熱成層逐漸過渡為散逸層。
模型表明海王星對流層的雲帶取決于不同海拔高度的成分。高海拔的雲出現于氣壓低于1帕之處，該處的溫度使甲烷可以凝結。壓力在1巴至5巴（100kPa至500kPa），被認為氨和硫化氫的雲可以形成。壓力在5巴以上，雲可能包含氨、硫化氨、硫化氫和水。更深處的水冰雲可以在壓力大約為50巴（5MPa）處被發現，該處的溫度達到0℃。在下面，可能會發現氨和硫化氫的雲。海王星高層的雲會曾經被觀察到在低層雲的頂部形成陰影，高層的雲也會在相同的緯度上環繞着行星運轉。這些環帶的寬度大約在50至150千米，并且在低層雲頂之上50至110千米。海王星的光譜顯示平流層的低層是朦胧的，這是因為紫外線造成甲烷光解的産物，例如乙烷和乙炔，凝結。平流層也是微量的一氧化硫和氰化氫的來源海王星的平流層因為碳氫化合物的濃度較高，也比天王星的溫暖。
由于一些尚不清楚的原因，這顆行星的熱成層有着大約750K的異常高溫。要從太陽來的紫外線輻射獲得熱量，對這顆行星來說與太陽的距離是太遙遠了。一個假設的加熱機制是行星的磁場與離子的交互作用；另一個假設是來自内部的重力波在大氣層中的消耗。熱成層包含可以察覺到的二氧化碳和水，其來源可能來自外部，例如流星體和塵埃。
氣候
海王星和天王星之間的一個區别是典型氣象活動的水平，海王星的天氣特點是極端活躍的。1986年當旅行者2号航天器飛經天王星時，該行星視覺上相當平淡，而在1989年旅行者2号飛越期間，海王星展現了著名的天氣現象。海王星的大氣有太陽系中的最高風速，據推測源于其内部熱流的推動，其風速達到超音速速度直至大約2100千米/小時。在赤道帶區域，更加典型的風速能達到大約1200千米/小時。根據蒲福風級即世界氣象組織所建議的分級地球風速最大為12級風，約118千米/小時。通過跟蹤持續雲的運動測得，海王星風速在向東方向的風速為20米/秒，向西風速為325米/秒，盛行風的速度從赤道的400米/秒到兩極的250米/秒不等。海王星上的大多數風都朝着與地球自轉相反的方向移動。風的一般模式顯示，在高緯度地區是順行旋轉，而在低緯度地區則是逆行旋轉。流動方向的差異被認為是一種“趨膚效應”，而不是由任何更深的大氣過程造成的。在緯度70°S處，高速射流的速度為300米/秒。
海王星赤道的甲烷、乙烷和乙炔的豐度是兩極的10-100倍。這被解釋為赤道上升流和兩極附近下沉的證據，因為沒有經向環流，光化學無法解釋這種分布。
大黑斑
1989年，美國航空航天局的旅行者2号航天器發現了大黑斑（The Great Dark Spot）。在海王星表面的南緯22度，有的類似木星大紅斑及土星大白斑的卵狀氣旋，以大約16天的周期一反時鐘方向旋轉，稱為“大黑斑”。由于大黑斑每18.3小時左右繞行海王星一圈，比海王星的自轉周期還要長，大黑斑附近的緯度吹着速度達300米每秒的強烈西風。旅行者2号還在南半球發現一個較小的黑斑極一以大約16小時環繞行星一周的速度飛馳的不規則的小團白色煙，得知是“The Scooter”。它或許是一團從大氣層低處上升的羽狀物，但它真正的本質還是一個謎。然而在1994年11月2日，哈勃望遠鏡對海王星的觀察發現大黑斑竟然消失了。它或許就這麼消散了，或許暫時被大氣層的其他部分所掩蓋。幾個月後哈勃望遠鏡在海王星的北半球發現了一個新的黑斑。這表明海王星的大氣層變化頻繁，這也許是因為雲的頂部和底部溫度差異的細微變化所引起的。
滑行車
滑行車（Scooter）是位于大黑斑更南面的另一場風暴，是一組白色雲團。當1989年旅行者2号造訪海王星之前的幾個月，科學家發現了它并用這個綽号命名，因為它比大黑斑移動得更快。随後圖像顯示出還有比滑行車移動得更快的雲團。小黑斑是一場南部的飓風風暴，在1989旅行者2号訪問期間，風速強度排在第二位。它最初是完全黑暗的，但在旅行者2号接近過程中，一個明亮的核心逐漸形成，大多數最高分辨率的圖像上都有。2007年又發現海王星的南極比其表面平均溫度（大約為-200℃）高出約10℃。這樣高出10℃的溫度足以把甲烷釋放到太空，而在海王星其它區域的上層大氣層中甲烷是被凍結着的。
海王星在類木行星中的一個獨有特點就是高層雲彩在其下半透明的雲基區域投下陰影。雖然海王星的大氣遠比天王星的活躍它們都是由相同的氣體和冰組成。天王星和海王星都不是木星和土星那種嚴格意義上的類木行星而屬于另一類的遠日行星，即它們有一個較大的固體核而且還含有冰作為其組成成分。海王星表面溫度非常低，1989年測到的頂端雲層的溫度低至-224℃（49K）。由于季節的變化，海王星南半球的雲帶的大小和反照率都在增加。這種趨勢最早發生在1980年，預計将持續到2020年左右。海王星的長軌道周期導緻四季持續40年。
風暴
海王星上的風暴是太陽系類木行星中最強的。考慮到它處于太陽系的外圍，所接受的太陽光照比地球上微弱1000倍（仍然非常明亮，視星等-21），這個現象和科學家們的原有的期望不符。曾經普遍認為行星離太陽越遠，驅動風暴的能量就應該有越少。木星上的風速已達數百千米/小時，而在更加遙遠的海王星上，科學家發現風速沒有更慢而是更快了（1600千米/小時）。這種明顯反常現象的一個可能原因是，如果風暴有足夠的能量，将會産生湍流，進而減慢風速（正如在木星上那樣）。然而在海王星上，太陽能過于微弱，一旦開始刮風，它們遇到很少的阻礙，從而能保持極高的速度。海王星釋放的能量比它從太陽得到的還多因而這些風暴也可能有着尚未确定的内在能量來源。
2007年又發現海王星的南極比其表面平均溫度（大約為-200℃）高出約10℃。這樣高出10℃的溫度足以把甲烷釋放到太空，而在其它區域海王星的上層大氣層中甲烷是被凍結着的。這個相對熱點的形成是因為海王星的軌道傾角使得其南極在過去的40年受到太陽光照射，而一海王星年相當于165地球年。随着海王星慢慢地移近太陽，它南極将逐漸變暗，并且換成北極被太陽光照亮，這将使得甲烷釋放區域從南極轉移到北極。
磁層
海王星有着與天王星類似的磁層，它的磁場相對自轉軸有着高達47°的傾斜，并且偏離核心至少0.55半徑，或是偏離物理上的中心13500千米。在航海家2号抵達海王星之前，天王星的磁層傾斜假設是因為它躺着自轉的結果，但是，比較這兩顆行星的磁場，科學家認為這種極端的指向是行星内部流體的特征。這個區域也許是一層導電體液體（可能是氨、甲烷和水的混合體）形成的對流層流體運動，造成發電機的活動。磁場的偶極成分在海王星的磁赤道大約是14微特斯拉（0.14高斯）海王星的偶磁矩大約是2.2×10T·m（14μT·RN，此處RN是海王星的半徑）海王星的磁場因為非偶極成分，包括強度可能超過磁偶極矩的強大四極矩，組合有很大的貢獻，因此在幾何結構上非常的複雜。相較之下地球、木星和土星的四極矩都非常小，并且相對于自轉軸的傾角也都不大海王星巨大的四極矩也許是發電機偏離行星的中心和幾何強制性的結果。
海王星的弓形激波，在那兒磁層開始減緩太陽風的速度，發生在距離行星34.9行星半徑之處。磁層頂，磁層的壓力抵銷太陽風的地方，位于23～26.5倍海王星半徑之處，磁尾至少延伸至72倍的海王星半徑，并且還會伸展至更遠。
光環
海王星也有光環。在地球上隻能觀察到暗淡模糊的圓弧，而非完整的光環。但旅行者2号的圖像顯示這些弧完全是由亮塊組成的光環。其中的一個光環看上去似乎有奇特的螺旋形結構。同天王星和木星一樣，海王星的光環十分暗淡，但它們的内部結構仍是未知數。人們已命名了海王星的光環：最外面的是Adams（它包括三段明顯的圓弧，今已分别命名為自由Liberty，平等Equality和友愛Fraternity），其次是一個未命名的包有Galatea衛星的弧然後是Leverrier（它向外延伸的部分叫作Lassell和Arago），最裡面暗淡但很寬闊的叫Galle。 這顆藍色行星有着暗淡的天藍色圓環，但與土星比起來相去甚遠。當這些環由以愛德華·奎南為首的團隊發現時曾被認為也許是不完整的。然而，“旅行者2号”的發現表明并非如此。這些行星環有一個特别的“堆狀”結構。其起因如今不明，但也許可以歸結于附近軌道上的小衛星的引力相互作用。
20世紀80年代中期，認為海王星環不完整的證據首次出現，當時觀測到海王星在掩星前後出現了偶爾的額外“閃光”旅行者2号在1989年拍攝的圖像發現了這個包含幾個微弱圓環的行星環系統，從而解決了這個問題。最外層的圓環，亞當斯，包含三段顯著的弧，如今名為“Liberté”，“Egalité”和“Fraternité”（自由、平等、博愛）。弧的存在非常難于理解，因為運動定律預示弧應在不長的時間内變成分布一緻的圓環。如今認為環内側的衛星海衛六的引力作用束縛了弧的運動。 旅行者2号的相機發現了其他幾個環。除了狹窄的、距海王星中心63000千米的亞當斯環之外，勒維耶環距中心53000千米，更寬、更暗的伽勒環距中心42000千米。勒維耶環外側的暗淡圓環被命名為拉塞爾；再往外是距中心57000千米的Arago環。 2005年新發表的在地球上觀察的結果表明，海王星的環比原先以為的更不穩定。凱克天文台在2002年和2003年拍攝的圖像顯示，與“旅行者2号”拍攝時相比，海王星環發生了顯著的退化，特别是“自由弧”，也許在一個世紀左右就會消失。
海王星光環數據
衛星
海王星有14顆已知的天然衛星。其中最大的、也是唯一擁有足夠質量成為球體的海衛一在海王星被發現17天以後就被威廉·拉塞爾發現了。與其他大型衛星不同，海衛一運行于逆行軌道，說明它是被海王星俘獲的，大概曾經是一個柯伊伯帶天體。它與海王星的距離足夠近使它被鎖定在同步軌道上，它将緩慢地經螺旋軌道接近海王星，當它到達洛希極限時最終将被海王星的引力撕開。海衛一是太陽系中被測量的最冷的天體，溫度為-235°C（38K）。
海王星第二個已知衛星（依距離排列）是形狀不規則的海衛二，它的軌道是太陽系中離心率最大的衛星軌道之一。從1989年7月到9月，“旅行者2号”發現了六個新的海王星衛星。
其中形狀不規則的海衛八以擁有在其密度下不會被它自身的引力變成球體的最大體積而出名。盡管它是質量第二大的海王星衛星，它隻是海衛一質量的四百分之一。最靠近海王星的四個衛星，海衛三、海衛四、海衛五和海衛六，軌道在海王星的環之内。第二靠外的海衛七在1981年它掩星的時候被觀察到。
起初掩星的原因被歸結為行星環上的弧，但據1989年“旅行者2号”的觀察，才發現是由衛星造成的。2004年宣布了在2002年和2003之間發現的五個新的形狀不規則衛星。由于海王星得名于羅馬神話的海神，它的衛星都以低等的海神命名。
SETI協會研究員馬克·肖華特（Mark Showalter）2013年發現了圍繞海王星的一顆新衛星，編号為海王星衛星S/2004N1，直徑約為19千米，距地球約48億千米。
海王星的衛星
形成與
冰質巨行星海王星和天王星的形成，已經證明很難精确模拟。模型表明，太陽系外部區域的物質密度太低，無法用傳統的核心吸積方法來解釋如此大的天體的形成，因而人們提出了各種假說來解釋它們的形成。一種說法是，冰巨星不是由核心吸積形成的，而是由原行星盤内的不穩定性形成的，後來它們的大氣層被附近一顆大質量OB型星的輻射炸飛了，其中一部分形成了天王星和海王星。
另一個假說是，它們在離太陽更近的地方形成，那裡的物質密度更高，然後在移除氣态原行星圓盤之後遷移到它們當前的軌道上。這種形成後遷移的假設是有利的，因為它能夠更好地解釋在跨海王星區域觀察到的小型天體的構成比例。最為廣泛接受的對這個假設細節的解釋被稱為尼斯模型，它探索了遷移的海王星和其他巨行星對柯伊伯帶結構的影響。右圖是一個顯示外行星和柯伊伯帶的模拟：（a）在木星和土星達到2:1共振之前；（b）在海王星軌道移動後柯伊伯帶物體向内散射後；（c）在木星射出散射的柯伊伯帶天體之後。
觀測和探測
觀測
肉眼看不到海王星，其亮度介乎視星等+7.7和+8.0，比木星的伽利略衛星，矮行星、谷神星和小行星、竈神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在天文望遠鏡或優質的雙筒望遠鏡中，海王星顯現為一個小小的藍色圓盤，看上去與天王星很相似。藍色來自在于它大氣中的甲烷。它在視覺上的細小給研究造成了困難；多數從望遠鏡中獲得的數據是相當有限的，直到出現哈勃太空望遠鏡和大型地基望遠鏡與自适應光學技術才獲得改觀。對無線電頻段内海王星的觀測表明，它既是連續發射又是不規則爆發的來源。這兩種輻射源都被認為是由其旋轉磁場産生的。在光譜的紅外部分，海王星的風暴在較冷的背景下顯得明亮，使得這些特征的大小和形狀很容易被跟蹤。
探測
1989年8月25日，美國航天局發射的旅行者2号探測器飛越海王星，這是人類首次用空間探測器探測海王星。它在距海王星4827千米的最近點與海王星相會，從而使人類第一次看清了遠在距離地球45億千米之外的海王星面貌。它發現了海王星的6顆新衛星，使其衛星總數增至8顆；首次發現海王星有5條光環，其中3條暗淡、2條明亮。從旅行者2号拍攝的6000多幅海王星照片中發現，海王星南極周圍有兩條寬約4345千米的巨大黑色風雲帶和一塊面積有如地球那麼大的風暴區，它們形成了像木星大紅斑那樣的大黑斑。這塊大黑斑沿中心軸向逆時針方向旋轉，每轉360°需10天。海王星也有磁場和輻射帶，大部分地區有像地球南北極那樣的極光。海王星的大氣層動蕩不定，大氣中含有由冰凍甲烷構成的白雲和大面積氣旋，跟随在氣旋後面的是時速為640千米的飓風。海王星上空有一層因陽光照射大氣層中的甲烷而形成的煙霧。
海王星與太陽的平均距離為44.96億公裡，是地球到太陽距離的30倍。海王星接收到太陽的光和熱隻有地球的19%于是其表面覆蓋着延綿幾千公裡厚的冰層，外表則圍繞着濃密的大氣，海王星的直徑49500公裡，是地球的3.88倍體積有57個地球那麼大，質量隻是地球的17倍多，所以其密度也相當小，海王星以每秒5.43公裡的速度繞着太陽公轉公轉一周需要花上164.8年，自轉一周15小時57分59秒。
海王星的磁場和天王星的一樣，位置十分古怪，這很可能是由于行星地殼中層傳導性的物質（大概是水）的運動而造成的。
未來探測計劃
美國宇航局正在研究可能進行的海王星探測任務。
美國宇航局在2005年提出發射海王星軌道探測器的構想，計劃于2016年發送一個或兩個探測器登陸海衛一，并探測海王星的大氣層，類似伽利略号探測器的大氣探測器。
旗艦或基石任務是另一個可能進行的海王星探測任務，需要超過10億美元的資金。這些任務經費由美國宇航局和歐洲空間局共同負擔，這個未來計劃目标可能變成木衛二或土衛六，預計不會在2040年之前發射。
由于天文學家對于探測海王星系統的興趣濃厚，一些學者認為美國宇航局負責的新疆界計劃任務（如新視野号和朱諾号）可以提供10億美元資金，而探測器可以在2010年發射。這個探測器不僅可以研究海王星及其系統而且也将經過木星及土星，并借由其重力節省燃料，然後接近柯伊伯帶中兩個或三個天體。新地平線号在通過冥王星後也将探測其他目标。
影像公布
當地時間2022年5月31日，法新社公布了天王星和海王星影像。畫面中，左側為天王星，右側為海王星。該影像是旅行者2号飛船在20世紀80年代飛越這兩個行星時拍攝到的。
世界紀錄
海王星是太陽系中離太陽最遠的行星，創造了太陽系中速度最快的風、一個航天器到訪過的最多行星紀錄。（吉尼斯世界紀錄）
