Nustatyta, kad dujų milžine ir toliausiai nuo saulės nutolusioje didžiausioje planetoje Neptūno oro sąlygos labai aktyvios. Jo atstumas nuo saulės reiškia, kad atmosferos temperatūra gali būti žemiausia Saulės sistemoje - iki –218 laipsnių Celsijaus. Atmosfera supa skystą vandens, metano ir amoniako apvalkalą. Šiluma, atsirandanti dėl mantijos maišymo su šalta atmosfera, varo vėjus didžiausiu žinomu bet kurios planetos greičiu.
Atmosfera
Vandenilis yra dominuojančios dujos Neptūno atmosferoje, jose yra mažesnis helio, metano ir kitų angliavandenilių kiekis. Dėl stiprios gravitacijos jis gali išlaikyti lengvas dujas, kurios išteka iš mažesnių planetų, tokių kaip Žemė.
Temperatūra
Kadangi jis yra 2,8 milijardo mylių nuo saulės, maždaug 30 kartų iki Žemės, Neptūnas gauna mažai saulės spindulių. Vidutinė paviršiaus temperatūra yra apie –200 laipsnių Celsijaus. Tačiau jis turi vidinį šilumos šaltinį, kuris, kaip manoma, yra iš giliai planetoje esančių radioaktyviųjų mineralų. Neptūno šerdyje temperatūra siekia 7000 laipsnių šilumos.
Vėjas
„Neptūno“ Saulės sistemoje matuojamas didžiausias vėjo greitis - iki 1 200 mylių per valandą. Manoma, kad didelis temperatūros skirtumas tarp aukščiau paminėto vidinio šilumos šaltinio ir erdvės šalčio skatina vėjus.
Skylės ir debesys
Ypatybę, vadinamą Didžiąja tamsia dėme, Neptūno pietiniame pusrutulyje pastebėjo „Voyager 2“ zondas. Pirmiausia manyta, kad tai panašu į Jupiterio Didžiąją raudonąją dėmę - milžinišką stabilią audrų sistemą. Tačiau 1994 m. Neptūno vieta išnyko. Panaši atsirado ir šiauriniuose regionuose. Dabar manoma, kad ši savybė yra ne audra, o skylė metano debesyse. Baltojo debesies sistema, kurią taip pat matė „Voyager 2“, buvo praminta „Motoroleriu“. Ji skriejo aplink planetą kas 16 valandų.
Metų laikai
Dėl 165 metų orbitinio Neptūno periodo jo sezonai yra 40 metų. Ji yra pasvirusi apie savo ašį maždaug tiek, kiek yra Žemė, todėl per sezonus įeinanti saulės šviesa keičiasi skirtingose platumose. Kai šiaurinis pusrutulis pakrypsta link saulės, kaupiasi šiluma ir išskiria metano dujas į kosmosą. Tas pats vyksta per pietų ašigalį saulėtu sezonu.
Termosfera
Nustatyta, kad planetos termosferos, plonų dujų sluoksnio, esančio aukštoje atmosferoje, besiribojančioje su kosmosu, temperatūra yra 380 laipsnių Celsijaus. Saulės šviesos Neptūno atstumu nepakanka tiek pašildyti atmosferą. Siūlomos kai kurios teorijos, pavyzdžiui, energija, kurią išleidžia saulės vėjo judėjimas prieš planetos magnetinį lauką. Vis dar nežinoma, kodėl šis regionas yra toks karštas.