Після відкриття Нептуна стало остаточно зрозуміло, які фізичні умови всіх рухів у Сонячній системі. Кажуть, що Нептун відкрили «на кінчику пера». За спостереження ми Урана вже в кінці XVIII століття стало очевидним, що на Уран діє якесь тіло досить великої маси. Необхідно було розрахувати орбіту цього тіла, щоб його знайти.

Джон Адамс і Урбен Леверьє в 1846 році практично одночасно розрахували орбіту Нептуна. На прохання Лкверє астроном Іоганн Галлі пильно спостерігав той сектор неба, на який йому вказав математик. І нову планету було відкрито!

     Так у галузі відкриття нових тіл вступили в дію закони небесної механіки.

     Нептун — восьма за віддаленістю від Сонця, четверта за розміром і третя за масою планета Сонячної системи, що належить до планет-гігантів. Її орбіта перетинається з орбітою Плутона в деяких місцях. Також орбіту Нептуна перетинає комета Галлея. Маса Нептуна у 17,2 рази, а діаметр екватора у 3,9 рази більший за Землю. Планета названа на честь римського бога морів.

     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 доходить до Нептуна трохи більше 4 годин. Тривалість «нептуніанського року», тобто час одного повного оберту навколо Сонця — 164,8 земних років. Екваторіальний діаметр планети 49 500 км, що майже вчетверо перевищує діаметр Землі, до того ж власне обертання настільки швидке, що доба на Нептуні триває всього 16 годин. Хоча середня густина Нептуна (1,66 г/см3) майже втроє менша земної, його маса (через великі розміри планети) в 17,23 рази більша, ніж у Землі. Нептун виглядає на небі як зірка 7,8 зоряної величини; при сильному збільшенні він має вигляд зеленуватого диска, позбавленого будь-яких деталей.

     Нептун має магнітне поле, напруженість якого на полюсах приблизно вдвічі більша, ніж на Землі. Ефективна температура поверхні планети становить близько 38 К. У центрі ядра Нептуна температура досягає 7000 К за тиску 7-8 мегабар.

     Повз Нептун пролітав тільки один космічний апарат – «Вояджером-2», який пролетів поблизу планети 25 серпня 1989 року.

     Єдина природа планет дозволяє припустити, що подібні за своєю природою планети мають подібні природні умови . Нептун дивує астрономів дуже великою швидкістю хмар, що рухаються у висотних  шарах атмосфери. Хмари переміщуються із швидкістю 2000 км/год. Подібного явища немає на жодній іншій планеті сонячної системи.

Атмосфера Нептуна складається з водню (приблизно 67%), гелію (31%) і метану (2%). Крім цих основних компонентів, вона містить також незначні домішки речовин, що є результатом фотолізу метану: ацетилен , діацетилен , етилен  і етан , а також чадний газ  і молекулярний азот .

     Основний шар хмар розташовано на рівні тиску близько 3 атмосфери, він складається із замерзлого сірководню, можливо, із невеликою домішкою аміаку . Температура в цій області становить близько 100 К (-173 °C). Вище основного шару, у холодній прозорій атмосфері конденсуються рідкісні білі хмари із замерзлого метану . Ці хмари підіймаються на висоту 50-150 км і відкидають тіні на основний хмарний покрив, як це видно на знімках Вояджера-2.

Нижче першого шару хмар, на рівні тиску близько 20 атмосфер і температури близько 200 К (-70 °C), розташовано другий шар хмар з гідросульфіду амонію . Ще глибше розташовано хмари з водяного льоду.

     Температурний мінімум (тропопауза) в атмосфері Нептуна становить 50 К (-223 °C) і досягається за тиску 0,1 атмосфери. За такої низької температури конденсуються пари продуктів фотолізу метану (ацетилен, діацетілен та ін.), утворюючи тонкий надхмарний серпанок. Вище тропопаузи лежить стратосфера - область атмосфери, де температура зростає з висотою. На рівні тиску 10-8—10-7 атмосфер за температури 160 К (-110 °C) розташована мезопауза - область постійної температури, вище якої простягається термосфера. Температура термосфери досягає 750 К.

     Після прольоту "Вояджера-2" 1989 року повз планету, найвідомішою деталлю на Нептуні стала Велика Темна Пляма в південній півкулі. Вона вдвічі менша за Велику Червону Пляму Юпітера (тобто в діаметрі приблизно дорівнює Землі). Розташовуючись на 20 ° на південь від екватора, вона оберталася проти годинникової стрілки з періодом близько 16 днів. Вітри Нептуна несли Велику Темну Пляму на захід зі швидкістю 300 метрів за секунду. "Вояджер-2" також побачив меншу темну пляму в південній півкулі і невелику непостійну білу хмару. Вона могла бути потоком, що відходить від нижніх прошарків атмосфери до верхніх, але справжня природа її залишається поки невідомою.

     Цікаво, що спостереження 1994 року показали, що Велика Темна Пляма зникла. Вона або просто розсіялася, або до певного часу її закрили інші частини атмосфери. Через декілька місяців було виявлено нову темну Пляму в північній півкулі Нептуна. Це вказує на те, що атмосфера Нептуна змінюється швидко, можливо через невеликі зміни в температурах верхніх і нижніх хмар.   

     Відкриття Великої Темної Плями мало велике значення для розуміння природи

планет-гігантів.

     Магнітне поле Нептуна, як і поле Урану, орієнтоване незвичайно і, мабуть, створюється течією провідної речовини (можливо, води), розташованої в середніх шарах планети, вище ядра. Магнітна вісь нахилена на 47 градусів до осі обертання, до того ж, вісь симетрії магнітного поля Нептуна не проходить через центр планети, а відхилена від нього більш ніж на піврадіуса, що нагадує властивості магнітного поля навколо Урану. Відповідно, і напруженість поля на поверхні в різних її місцях змінюється від третини до потроєного значення земної. Навіть в якійсь одній точці поверхні поле також мінливе, як і положення та інтенсивність джерела в надрах планети.

     Завдяки випадку, при підльоті до Нептуну, "Вояджер" рухався майже точно в напрямку південного магнітного полюса планети, що дало можливість ученим здійснити низку унікальних досліджень, багато результатів яких до цих пір не позбавлено таємничості і незрозумілості. В атмосфері було виявлено явища, подібні до земних полярних сяйв та зроблено припущення про будівлю Нептуна. Досліджуючи магнітні явища, "Вояджеру" вдалося точно встановити період обертання Нептуна навколо своєї осі - 16 годин 7 хвилин.

     На кожній газовій планеті є умови для формування вихрових структур в атмосфері, що мають тривалий період існування. На юпітері прикладом такої структури є Велика Червона Пляма, на Сатурні – Велика Коричнева Пляма, на Нептуні Велика Темна Пляма. На сьогодні вчені не мають відомостей про те, чи існує велика вихрова структура на Урані, але ймовірність цього дуже велика 

     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 і будова їх невідома. Але це не перешкоджало дати їм назви: зовнішнє - Адамс (яке містить три дуги, що виділяються, які чомусь охрестили Свободою, Рівністю і Братерством), потім - безіменне кільце, що збігається з орбітою супутника Нептуна Галатеї, слідом - Левер'є (чиї зовнішні розширення названі Ласель і Араго), і, нарешті, слабке, але широке кільце Галле. Як видно, назви кілець увіковічнили тих, хто брав участь у відкритті Нептуна.