Утврђено је да гасни гигант и најудаљенија главна планета од Сунца има врло активне временске обрасце. Његова удаљеност од сунца значи да атмосферске температуре могу бити неке од најнижих у Сунчевом систему, до –218 степени Целзијуса. Атмосфера окружује течни омотач воде, метана и амонијака. Топлота из плашта мешајући се са хладном атмосфером тера ветрове на највеће познате брзине било које планете.
Атмосфера
Водоник је доминантан гас у атмосфери Нептуна, са мањим количинама хелијума, метана и других угљоводоника. Његова јака гравитација омогућава задржавање лаких гасова који излазе са мањих планета, попут Земље.
Температуре
Како је од Сунца удаљено 2,8 милијарди миља, око 30 пута више од Земље, Нептун има мало сунчеве светлости. Просечна површинска температура је око –200 степени Целзијуса. Међутим, има унутрашњи извор топлоте, за који се мисли да потиче од радиоактивних минерала дубоко у планети. У језгру Нептуна температура иде на 7000 степени Целзијуса.
Ветар
Нептун има највеће измерене брзине ветра у Сунчевом систему - до 1.200 миља на сат. Верује се да велика разлика у температури између горе поменутог унутрашњег извора топлоте и хладноће простора покреће ветрове.
Рупе и облаци
Сонду Воиагер 2 на јужној хемисфери Нептуна приметила је особина позната као Велика тамна пега. Прво се мислило да је попут Јупитерове Велике црвене мрље - џиновског стабилног олујног система. 1994. године, међутим, Нептуново место је нестало. Слична се појавила у северним регионима. Сада се сматра да ова карактеристика није олуја већ рупа у облацима метана. Бели систем облака, који је такође видео Воиагер 2, добио је надимак „Скутер“. Кружио је планетом сваких 16 сати.
Годишња доба
Због Нептуновог орбиталног периода од 165 година, његове сезоне су дуге 40 година. Нагнут је на својој оси приближно онолико колико је Земља, па се долазећа сунчева светлост мења за различите географске ширине током својих годишњих доба. Када се северна хемисфера нагне према сунцу, топлота се накупља и ослобађа гас метан у свемир. Исто се дешава и на јужном полу током његове сунчане сезоне.
Термосфера
Утврђено је да термосфера планете, слој танког гаса високо у атмосфери која се граничи са простором, има температуру од 380 степени Целзијуса. Сунчева светлост на удаљености Нептуна није довољна да толико загреје атмосферу. Понуђене су неке теорије, попут енергије која се ослобађа кретањем сунчевог ветра против магнетног поља планете. Још увек је непознато зашто је овај регион тако врућ.