ענקית הגז והכוכב הראשי הרחוק ביותר מהשמש, נפטון התגלה כבעל דפוסי מזג אוויר פעילים מאוד. משמעות המרחק שלו מהשמש היא שהטמפרטורות האטמוספריות יכולות להיות מהנמוכות ביותר במערכת השמש, עד –218 מעלות צלזיוס. האטמוספירה מקיפה מעטה נוזלי של מים, מתאן ואמוניה. חום מהמעיל המתערבב עם האטמוספרה הקרה מניע את הרוחות למהירויות הידועות ביותר בכל כוכב לכת.
אַטמוֹספֵרָה
מימן הוא הגז הדומיננטי באטמוספירה של נפטון, עם כמויות קטנות יותר של הליום, מתאן ופחמימנים אחרים. כוח המשיכה החזק שלה מאפשר לו לשמור על גזים קלים הנמלטים מכוכבי לכת קטנים יותר, כמו כדור הארץ.
טמפרטורות
מכיוון שהוא נמצא 2.8 מיליארד קילומטרים מהשמש, בערך פי 30 מכדור הארץ, נפטון מקבל מעט אור שמש. טמפרטורת פני השטח הממוצעת היא כ –200 מעלות צלזיוס. עם זאת, יש לו מקור חום פנימי, הנחשב שמקורו במינרלים רדיואקטיביים בעומק כדור הארץ. בליבת נפטון, הטמפרטורה מגיעה ל 7,000 מעלות צלזיוס.
רוּחַ
לנפטון מהירות הרוח הגבוהה ביותר שנמדדה במערכת השמש - עד 1,200 מייל לשעה. ההבדל הטמפרטורה הגדול בין מקור החום הפנימי שהוזכר לעיל לקור החלל הוא האמין כמניע את הרוחות.
חורים ועננים
תכונה המכונה הנקודה החשוכה הגדולה נצפתה בחצי הכדור הדרומי של נפטון על ידי החללית וויאג'ר 2. תחילה חשבו שהוא דומה לנקודה האדומה הגדולה של צדק - מערכת סערה ענקית ויציבה. אולם בשנת 1994, מקומו של נפטון נעלם. אחת דומה הופיעה באזורי הצפון. כעת נחשב כי תכונה זו אינה סערה אלא חור בענני המתאן. מערכת ענן לבנה, שנראתה גם על ידי וויאג'ר 2, זכתה לכינוי "קטנוע". הוא הקיף את כדור הארץ כל 16 שעות.
עונות
בגלל תקופת מסלול מסלוליו של נפטון בן 165 שנה, עונותיו ארוכות 40 שנה. הוא מוטה על צירו בערך כמו כדור הארץ, ולכן אור השמש הנכנס משתנה על קווי הרוחב השונים שלו לאורך עונותיו. כאשר חצי הכדור הצפוני מוטה לכיוון השמש, החום מצטבר ומשחרר גז מתאן לחלל. אותו דבר קורה בקוטב הדרומי בעונה שטופת השמש שלו.
תרמוספירה
התרמוספירה של כדור הארץ, שכבת גז דקה הגבוהה באטמוספירה הגובלת בחלל, נמצאה בטמפרטורה של 380 מעלות צלזיוס. אור השמש במרחק של נפטון לא מספיק כדי לחמם את האווירה עד כדי כך. כמה תיאוריות הוצעו, כגון אנרגיה שמשחררת תנועת רוח השמש כנגד השדה המגנטי של הפלנטה. עדיין לא ידוע מדוע האזור הזה כל כך חם.