Is de van de zon af gerekend de achtste planeet van ons zonnestelsel, ontdekt in 1846. Onverklaarde storingen in de loop van de planeet Uranus brachten Friedrich Wilhelm Bessel en andere astronomen op het denkbeeld dat men deze schijnbare onregelmatigheid moest toeschrijven aan de invloed van een nog onbekende planeet, waarvan de baan buiten die van Uranus zou liggen. J.C. Adams te Cambridge en U.J.J. Leverrier te Parijs trachtten onafhankelijk van elkaar de plaats van de planeet te berekenen. Leverrier zond de door hem berekende positie aan J.G. Galle in Berlijn; deze ontdekte de planeet in de nacht van 23 op 24 sept. 1846 op 52¢ van de door Leverrier aangegeven positie. Reeds in 1795 was Neptunus door Lalande waargenomen, die echter niet vermoedde dat het een planeet was. Uit notities van Galileo Galilei is gebleken dat hij Neptunus reeds in 1612/1613 heeft waargenomen zonder deze als planeet te herkennen.

1. Diameter en massa
Met het ongewapend oog kan men Neptunus net niet waarnemen; in een telescoop kan men een blauwgroen schijfje met een schijnbare diameter van iets meer dan 2 boogseconden onderscheiden. De werkelijke diameter bedraagt 49.500 km, viermaal die van de aarde. De afplatting bedraagt slechts 0,02. De massa is 17,2 maal die van de aarde; hieruit vindt men voor de gemiddelde dichtheid 1,67, ofwel 0,3 maal die van de aarde.

2. Baan en rotatie
Neptunus staat op gemiddeld 4497 miljoen km van de zon, dertig maal zover als de aarde, en draait er in 164,788 jaar omheen. Sinds zijn ontdekking heeft hij dus nog geen volledige omloop gemaakt. Het baanvlak maakt een hoek van 1°46¢ met de ecliptica. De excentriciteit van de baan is zeer gering: 0, 0097. In 1928 leidde men uit het spectrum af dat de planeet in ongeveer 16 uur om zijn as wentelt, in dezelfde richting als de rotatie van de meeste andere planeten. De rotatieas maakt een hoek van 29° met het baanvlak.

3. Samenstelling
Neptunus bestaat grotendeels uit waterstof en helium, met kleine hoeveelheden methaan, ammonia en water. In de dikke dampkring komt relatief veel methaan voor (die verantwoordelijk is voor de blauwgroene kleur). Deze atmosfeer gaat geleidelijk over in het gasvormige/vloeibare inwendige. Waarschijnlijk heeft de planeet een kleine rotsachtige kern.

4. Satellieten
Tot voor kort kende men bij Neptunus slechts twee satellieten: de grote maan Triton (diameter 2700 km) en Nereïde. De eerste werd een maand na de ontdekking van de planeet ontdekt door W. Lassell. De baan van Triton maakt een hoek van 160° met het vlak van de planeetbaan, zodat hij zich in een retrograde baan om Neptunus beweegt. Triton heeft een ijle dampkring die grotendeels uit stikstof bestaat; de druk aan het oppervlak is 10 microbar. Het oppervlak is bedekt met een dikke laag ijs van stikstof, methaan en water. Het oppervlak vertoont weinig inslagkraters, dus is relatief jong. Vele structuren wijzen op een soort 'vulkanische activiteit', waarbij materiaal uit het inwendige naar buiten is geperst. Ook is er een geiser waargenomen, waarvan het materiaal door de wind over grote afstand wordt meegevoerd.
Gerard Peter Kuiper ontdekte in 1949 de tweede satelliet van Neptunus, die in een zeer excentrische baan om de planeet draait. De diameter van Nereïde bedraagt ruim 300 km.

5. Ruimteonderzoek
De vlucht van de Amerikaanse ruimtesonde Voyager-2 langs Neptunus op 25 aug. 1989 bracht veel nieuwe feiten over deze planeet aan het licht. Neptunus blijkt een zeer dynamische atmosfeer te hebben, met windsnelheden van honderden meters per seconde. Er zijn grote wervelstructuren, zoals de Grote Donkere Vlek (diameter 10!000 km), zonale wolkenbanden en een ijle, cirrusachtige bewolking. Het dynamische karakter van de atmosfeer hangt waarschijnlijk samen met het feit dat er vanuit het centrum van de planeet tweemaal zoveel warmte naar buiten stroomt als de planeet van de zon ontvangt.
5.1 Magnetisch veld
Het magnetisch veld van Neptunus maakt een hoek van 47° met de rotatieas, terwijl de as van dit veld 10!000 km buiten het planeetmiddelpunt ligt. De veldsterkte loopt uiteen van 0,06 tot 1,2 gauss (aan het aardoppervlak heerst 0,3 gauss). Het veld, en dus ook het inwendige van de planeet, heeft een rotatietijd van 16,05 uur. De atmosfeer draait in 17,7 uur rond.
5.2 Ringen
Voyager bevestigde ook het vermoeden dat Neptunus een systeem van zeer donkere, smalle ringen heeft.
Voyager ontdekte zes nieuwe satellieten met diameters van ca. 50 tot 400 km op afstanden tussen 48!000 en 118!000 km van het planeetmiddelpunt. Twee van de zes bevinden zich vlakbij de twee hoofdringen en houden die wellicht in stand. De grootste van het zestal is iets groter dan de al langer bekende Nereïde. Een van de nieuwe satellieten, te weten 1989 N2, werd vermoedelijk al in 1981 indirect waargenomen tijdens een sterbedekking door de planeet.