En gaskæmpe og den længst største planet fra solen, har Neptun vist sig at have meget aktive vejrmønstre. Dens afstand fra solen betyder, at de atmosfæriske temperaturer kan være nogle af de laveste i solsystemet ned til –218 grader Celsius. Atmosfæren omgiver en flydende kappe af vand, metan og ammoniak. Varme fra kappen blandet med den kolde atmosfære driver vinden til de højeste kendte hastigheder på enhver planet.
Stemning
Brint er den dominerende gas i Neptuns atmosfære med mindre mængder helium, methan og andre kulbrinter. Dens stærke tyngdekraft lader det tilbageholde lette gasser, der flygter fra mindre planeter, som Jorden.
Temperaturer
Da det er 2,8 milliarder miles fra solen, cirka 30 gange så langt som Jorden, får Neptun lidt sollys. Den gennemsnitlige overfladetemperatur er ca. –200 grader Celsius. Imidlertid har den en intern varmekilde, der antages at være fra radioaktive mineraler dybt på planeten. I Neptuns kerne går temperaturen til 7.000 grader Celsius.
Vind
Neptun har de højeste målte vindhastigheder i solsystemet - op til 1.200 miles i timen. Den store temperaturforskel mellem den ovennævnte interne varmekilde og koldheden i rummet antages at drive vinden.
Huller og skyer
En funktion kendt som det store mørke plet blev observeret på Neptuns sydlige halvkugle af Voyager 2-sonden. Det blev først anset for at være som Jupiters store røde plet - et kæmpe stabilt stormsystem. I 1994 forsvandt Neptuns spot imidlertid. En lignende dukkede op i de nordlige regioner. Denne funktion menes nu ikke at være en storm, men et hul i metanskyerne. Et hvidt sky-system, også set af Voyager 2, fik tilnavnet "Scooter." Det kredsede om planeten hver 16. time.
Årstider
På grund af Neptuns omløbstid på 165 år er årstiderne 40 år lange. Den er vippet på sin akse omtrent lige så meget som Jorden er, så indgående sollys skifter for sine forskellige breddegrader gennem årstiderne. Når den nordlige halvkugle vippes mod solen, opbygges varme og frigiver metangas i rummet. Det samme sker over sydpolen i sin solrige sæson.
Termosfære
Planetens termosfære, et lag tynd gas højt i atmosfæren, der grænser op til rummet, har vist sig at have en temperatur på 380 grader Celsius. Sollys på Neptuns afstand er ikke nok til at opvarme atmosfæren så meget. Nogle teorier er blevet tilbudt, såsom energi frigivet af solvindens bevægelse mod planetens magnetfelt. Det er stadig ukendt, hvorfor denne region er så varm.