A Neptunusz, mint a Naptól legtávolabbi bolygó, régóta leköti a csillagászokat és asztrológusokat. Kék színéből adódóan nem meglepő, hogy a tenger római istenéről nevezték el. 1846-ban fedezte fel Gottfried Galle, de létezését már korábban jelezték matematikai számításokkal. A Voyager-2 űrszonda, amely 1989-ben repült el a Neptunusz mellett, továbbra is az egyetlen, amely meglátogatta a bolygót. A gázóriás elsősorban hidrogénből, héliumból és nyomokban metánból áll.  Mélykék színe annak tulajdonítható, hogy a légkörben lévő metán elnyeli a vörös fényt. A Neptunusz mágneses tere nagyon erős, forgástengelyéhez képest 47 fokkal megdőlve, ami szélsőséges időjárási körülményekhez vezet, beleértve a több mint 2000 kilométer/órás sebességű szeleket.

A Neptunusz légköre felhők és viharok turbulens keveréke, melyek közül leghíresebb a Nagy Sötét Folt, egy nagyjából Föld méretű vihar. Ez a vihar azóta eltűnt, de felfedeztek ehhez hasonló jelenségeket. Légköre különböző összetételű és hőmérsékletű rétegekből áll. A felső réteg nagyon hideg, itt a hőmérséklet -224 Celsius-fokra is csökkenhet. Az új megfigyelések azt mutatják, hogy a sötét foltok valószínűleg annak következményei, hogy a levegő részecskéi elsötétülnek a legkülső felhők alatti rétegben, miközben jég és köd keveredik a Neptunusz légkörében. A legfurcsább jelenségek a viharok felett kavargó fényes fehér felhők, amelyek a légköri gázok és égi erők összetett kölcsönhatásai. Ezek a metánfelhők, amelyek a Neptunusz légkörének mélyében születtek, bepillantást nyújtanak a távoli bolygó rejtett mélységeibe.

 A bolygónak tizennégy ismert holdja van, amelyek közül legnagyobb a Triton. Egyedülálló módon retrográd pályája van, vagyis a bolygó forgásával ellentétes irányban kering a Neptunusz körül. Ez arra utal, hogy a Tritont valószínűleg a Neptunusz gravitációs vonzása fogta el, így eredetileg nem ott keletkezett. Feltehetjük a kérdést, hogy hol? Erre talán egy másik, eddig ismeretlen égitest adhat magyarázatot. Azt is tudjuk biztosan, hogy a Neptunusz rendelkezik halvány gyűrűrendszerrel is, amely főleg jégrészecskékből és porszemekből áll. A Voyager-2 által összegyűjtött rengeteg információ ellenére azonban számos kérdés megválaszolatlan maradt. Például a bolygó belső szerkezete még mindig nagyrészt ismeretlen. Kérdések merülnek fel azzal kapcsolatban is, hogyan keletkeztek a Neptunusz holdjai, és hogy a bolygónak van-e még felfedezésre váró holdja. A kérdések megválaszolására jövőbeli Neptunusz-küldetéseket fontolgatnak, bár az extrém távolság és a zord körülmények nagy kihívást jelentenek. A tudósok gyanítják, hogy mélyen a bolygó belsejében olyan erős a nyomás, hogy a szénatomok gyémántokká préselődnek. A köpeny 10-15 földtömegnek felel meg, amely vízben, ammóniában és metánban gazdag. A bolygótudományban megszokott módon ezt a keveréket jegesnek nevezik, habár ez forró, sűrű szuperkritikus folyadék. Az elektromos vezetőképességű folyadékot néha víz-ammónia óceánnak nevezik. Hétezer kilométer mélységben a körülmények olyanok lehetnek, hogy a metán gyémántkristályokká bomlik, amely jégesőként hull lefelé. A mag valószínűleg nikkelből, vasból és szilikátokból áll.

A Neptunusznak feltételezhetően rengeteg belső hője van, amelyet az űrbe sugároz. Majdnem háromszor annyi annyi hőt ad le, mint amennyit elnyel a Napból.  Ezzel szemben az Uránusz, bár közelebb van a csillagunkhoz, biztosan nem rendelkezik ennyi belső hővel. Az erős szelek kialakulását éppen ez okozhatja, amelyek a legerősebbek a Naprendszeren belül. Szintén furcsa jellemző a bolygó szezonális hőmérséklete. Jelenleg már két évtizede nyár van a déli féltekén. Hogy ezt jobban megértsük, tudnunk kell, hogy  Neptunuszon minden évszak körülbelül negyven évig tart. Amikor a bolygókutatók nemrégiben  átvizsgálták a teleszkópos megfigyeléseket, arra számítottak, hogy a bolygón enyhébb körülményeket tapasztalnak. Nyáron a hőmérsékletnek sokkal magasabbnak kellene lennie, de nem így van. 

A  Neptunusztól nem messze nagy eséllyel fekete lyukra bukkantak a csillagászok. Néhány borúlátóbb tanulmány szerint létezése súlyos következményekkel járhat az emberiség számára, mert megváltoztathatja bolygónk pályáját. Ez a fekete lyuk sok mindenben különbözik társaitól. A bizonyítékok néhány kisebb égitest Neptunusz körüli furcsa keringéseiből származnak. Két lehetőség áll fenn: először is újabb, ismeretlen bolygó létezik, amelyet kilencedik bolygónak is nevezhetünk, vagy pedig a világegyetem egyik legkorábbi fekete lyuka felelős a furcsaságokért.    Norman Bergrun, a Nemzeti Repülési és Űrhajózási Hivatal egykori alkalmazottja kilencven éves korában hosszú rádióinterjúban beszélt a sok idegen civilizációról. Legtöbbet egy távoli bolygóról mesélt, a Neptunuszról. Elmondása szerint ezen a bolygón körülbelül három kilométer vastag a jégtakaró, alatta pedig folyékony víz létezik, de más kémiai összetételben. A közelmúltban a NASA űrszondája először rögzítette gejzírek létezését és vulkánok kitöréseit. Figyelembe véve, hogy a bolygó közepén a hőmérséklet eléri a + 7000 fokot, a mélyben bármi lehetséges. Norman Bergrun azt állította, hogy létezik élet a Neptunuszon. Ezek többsejtű vízi élőlények, amelyek nagyon homályosan emlékeztetnek a delfinekre. 1978-ban a NASA-nak egy egész osztálya foglalkozott azzal, hogy kapcsolatot létesítsenek más civilizációk képviselőivel. A Neptunusz lakóinak extraszenzoros képességei azonban még az emberinél is jóval alacsonyabbak. A delfinszerű élőlények csontvázzal, uszonyokkal és sok csáppal rendelkeznek. Norman azt is elmondta, hogy a NASA vezetősége olyan műveletet tervez, melynek értelmében át akarják fúrni a Neptunusz jégtakaróját, hogy az óceánba engedjenek valamilyen eszközt. Ezt a műveletet 2046-ra tervezik, de az időpont módosítható.