Ugotovljeno je bilo, da ima Neptun, plinski velikan in najbolj oddaljen od sonca največji planet, zelo aktivne vremenske vzorce. Njegova oddaljenost od sonca pomeni, da so lahko atmosferske temperature med najnižjimi v sončnem sistemu do –218 stopinj Celzija. Ozračje obdaja tekoči plašč vode, metana in amoniaka. Vročina plašča, ki se meša s hladno atmosfero, poganja vetrove do najvišjih znanih hitrosti katerega koli planeta.
Vzdušje
Vodik je prevladujoč plin v atmosferi Neptuna z manjšimi količinami helija, metana in drugih ogljikovodikov. Njegova močna gravitacija omogoča zadrževanje lahkih plinov, ki uhajajo z manjših planetov, kot je Zemlja.
Temperature
Ker je od sonca oddaljen 2,8 milijarde milj, kar je približno 30-krat več od Zemlje, Neptun dobi malo sončne svetlobe. Povprečna površinska temperatura je približno –200 stopinj Celzija. Ima pa notranji vir toplote, ki naj bi izhajal iz radioaktivnih mineralov globoko v planetu. V jedru Neptuna gre temperatura do 7000 stopinj Celzija.
Veter
Neptun ima najvišje izmerjene hitrosti vetra v sončnem sistemu - do 1.200 milj na uro. Verjame se, da velika vetrovna razlika med zgoraj omenjenim notranjim virom toplote in hladnostjo prostora poganja vetrove.
Luknje in oblaki
Značilnost, imenovano Velika temna pega, je na južni polobli Neptuna opazila sonda Voyager 2. Najprej so mislili, da je kot Jupitrova Velika rdeča pega - velikanski stabilni nevihtni sistem. Leta 1994 pa je Neptunovo mesto izginilo. Podoben se je pojavil v severnih regijah. Zdaj velja, da ta značilnost ni nevihta, temveč luknja v metanskih oblakih. Sistem belega oblaka, ki ga je videl tudi Voyager 2, je dobil vzdevek "Scooter". Obkrožil je planet vsakih 16 ur.
Letni časi
Zaradi Neptunovega orbitalnega obdobja 165 let so njegovi letni časi dolgi 40 let. Na svoji osi je nagnjen približno toliko, kot je Zemlja, zato se dohodna sončna svetloba spreminja za različne zemljepisne širine skozi njene letne čase. Ko je severna polobla nagnjena proti soncu, se toplota kopiči in sprošča plin metan v vesolje. Podobno se dogaja na južnem polu med sončno sezono.
Termosfera
Ugotovljeno je bilo, da ima termosfera planeta, plast tankega plina visoko v ozračju, ki meji na vesolje, temperaturo 380 stopinj Celzija. Sončna svetloba na razdalji Neptuna ni dovolj, da bi toliko ogrevala ozračje. Ponujene so bile nekatere teorije, na primer energija, ki jo sprošča gibanje sončnega vetra proti magnetnemu polju planeta. Še vedno ni znano, zakaj je ta regija tako vroča.