Utvrđeno je da plinski div i najudaljeniji glavni planet od sunca ima vrlo aktivne vremenske obrasce. Njegova udaljenost od sunca znači da atmosferske temperature mogu biti neke od najnižih u Sunčevom sustavu, do –218 Celzijevih stupnjeva. Atmosfera okružuje tekući omotač vode, metana i amonijaka. Toplina plašta miješajući se s hladnom atmosferom tjera vjetrove do najvećih poznatih brzina bilo koje planete.
Atmosfera
Vodik je dominantan plin u atmosferi Neptuna, s manjim količinama helija, metana i drugih ugljikovodika. Njegova snažna gravitacija omogućuje zadržavanje laganih plinova koji izlaze s manjih planeta, poput Zemlje.
Temperature
Kako je od Sunca udaljen 2,8 milijardi milja, oko 30 puta više od Zemlje, Neptun dobiva malo sunčeve svjetlosti. Prosječna površinska temperatura je oko –200 Celzijevih stupnjeva. Međutim, ima unutarnji izvor topline, za koji se smatra da dolazi iz radioaktivnih minerala duboko u planeti. U jezgri Neptuna temperatura ide na 7000 Celzijevih stupnjeva.
Vjetar
Neptun ima najveće izmjerene brzine vjetra u Sunčevom sustavu - do 1.200 milja na sat. Vjeruje se da velika razlika u temperaturi između gore spomenutog unutarnjeg izvora topline i hladnoće prostora pokreće vjetrove.
Rupe i oblaci
Značajku poznatu kao Velika tamna pjega opazila je na južnoj hemisferi Neptuna sonda Voyager 2. Prvo se mislilo da je poput Jupiterove Velike crvene mrlje - divovskog stabilnog olujnog sustava. Međutim, 1994. godine Neptunovo mjesto nestalo je. Slična se pojavila u sjevernim regijama. Sada se smatra da ova značajka nije oluja već rupa u oblacima metana. Sustav bijelog oblaka, koji je također vidio Voyager 2, dobio je nadimak "Skuter". Kružio je planetom svakih 16 sati.
Godišnja doba
Zbog Neptunovog orbitalnog razdoblja od 165 godina, njegove su sezone duge 40 godina. Nagnut je na svojoj osi otprilike onoliko koliko je Zemlja, pa se dolazeća sunčeva svjetlost mijenja za različite geografske širine kroz svoja godišnja doba. Kada se sjeverna polutka nagne prema suncu, toplina se nakuplja i ispušta plin metan u svemir. Isto se događa na južnom polu tijekom njegove sunčane sezone.
Termosfera
Utvrđeno je da termosfera planeta, sloj tankog plina visoko u atmosferi koja graniči s prostorom, ima temperaturu od 380 Celzijevih stupnjeva. Sunčeva svjetlost na Neptunovoj udaljenosti nije dovoljna da toliko zagrije atmosferu. Ponuđene su neke teorije, poput energije koja se oslobađa kretanjem sunčevog vjetra protiv magnetskog polja planeta. Još uvijek je nepoznato zašto je ova regija tako vruća.