Установено е, че Нептун е газов гигант и най-отдалечената от слънцето голяма планета с много активни метеорологични модели. Разстоянието му от слънцето означава, че атмосферните температури могат да бъдат едни от най-ниските в Слънчевата система, до –218 градуса по Целзий. Атмосферата заобикаля течна мантия от вода, метан и амоняк. Топлината от мантията, смесваща се със студената атмосфера, кара ветровете до най-високите известни скорости на която и да е планета.
Атмосфера
Водородът е доминиращият газ в атмосферата на Нептун, с по-малки количества хелий, метан и други въглеводороди. Неговата силна гравитация му позволява да задържа леки газове, които излизат от по-малки планети, като Земята.
Температури
Тъй като е на 2,8 милиарда мили от слънцето, около 30 пъти по-далеч от Земята, Нептун получава малко слънчева светлина. Средната повърхностна температура е около –200 градуса по Целзий. Той обаче има вътрешен източник на топлина, за който се смята, че е от радиоактивни минерали дълбоко в планетата. В сърцевината на Нептун температурата достига 7000 градуса по Целзий.
Вятър
Нептун има най-високите измерени скорости на вятъра в Слънчевата система - до 1200 мили в час. Смята се, че голямата разлика в температурата между споменатия по-горе вътрешен източник на топлина и студеността на пространството движи ветровете.
Дупки и облаци
Елемент, известен като Голямото тъмно петно, е наблюдаван в южното полукълбо на Нептун от сондата Voyager 2. Първоначално се смяташе, че е като Голямото червено петно на Юпитер - гигантска стабилна бурна система. През 1994 г. обаче мястото на Нептун изчезна. Подобен се появи в северните райони. Сега се смята, че тази функция не е буря, а дупка в метановите облаци. Бяла облачна система, видяна и от Voyager 2, получи прякора „Скутер“. Той обикаляше планетата на всеки 16 часа.
Сезони
Поради орбиталния период на Нептун от 165 години, сезоните му са дълги 40 години. Той е наклонен по оста си приблизително колкото е Земята, така че входящата слънчева светлина се променя за различните географски ширини през своите сезони. Когато северното полукълбо е наклонено към слънцето, топлината се натрупва и освобождава метановия газ в космоса. Същото се случва и на южния полюс през слънчевия му сезон.
Термосфера
Установено е, че термосферата на планетата, слой от тънък газ, намиращ се високо в границата на атмосферата, има температура от 380 градуса по Целзий. Слънчевата светлина на разстояние от Нептун не е достатъчна, за да загрее толкова много атмосферата. Предложени са някои теории, като например енергия, отделена от движението на слънчевия вятър срещу магнитното поле на планетата. Все още е неизвестно защо този регион е толкова горещ.