按太阳系中距离太阳的远近顺序，海王星是第八颗行星，于1846年9月23日发现，计算者为英国剑桥大学的大学生亚当斯，德国天文学家伽勒是按计算位置观测到该行星的第一个人。这一发现被看成是行星运动理论精确性的一个范例。
海王星由于距离遥远，光度暗淡，即使用大型望远镜也难看清其表面细节，因而不能依靠观测表面标志的移动来测定其自转周期。作为典型的气体行星，海王星上呼啸着按带状分布的大风暴或旋风，海王星上的风暴是太阳系中最快的，时速达到2000千米。
海王星的蓝色是大气中甲烷吸收了日光中的红光造成的。尽管海王星是一个寒冷而荒凉的星球，不过科学家们推测它的内部有热源。和土星、木星一样，海王星内部辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。由于海王星是一颗淡蓝色的行星，人们根据传统的行星命名法，称其为“涅普顿”。“涅普顿”是罗马神话中统治大海的海神，掌握着1/3的宇宙，颇有神通。
1612年12月28日，意大利物理学家、天文学家伽利略首度观测并描绘出海王星，1613年1月27日又再次观测，但因为观测的位置在夜空中都靠近木星，这两次机会都让伽利略误认海王星是一颗恒星。
当时海王星在转向退行的位置，由于刚开始退行时的运动还十分微小，以致伽利略的小望远镜察觉不出其位置的改变。
1843年，英国数学家、天文学家约翰•柯西•亚当斯计算出天王星运动的轨道，并将计算结果告诉了皇家天文学家乔治•艾里，他问了亚当斯一些计算上的问题，亚当斯虽然草拟了答案但未曾回复。
1846年，法国工艺学院的天文学教师勒维耶以自己的热忱独立完成了海王星位置的推算。但是，在同一年，英国科学家约翰•赫歇耳也开始拥护以数学的方法去搜寻行星，并说服詹姆斯•查理士着手进行。
在多次耽搁之后，查理士在1846年7月勉强开始了搜寻的工作；同时，勒维耶也说服了柏林天文台的约翰•格弗里恩•伽勒搜寻行星。当时仍是柏林天文台的学生达赫斯特表示正好完成了勒维耶预测天区的最新星图，可以作为寻找新行星时与恒星比对的参考图。在1846年9月23日的晚间，海王星被人们发现了，与勒维耶预测的位置相距不到1度，但与亚当斯预测的位置相差10度。事后，查理士发现他在8月时已经两度观测到海王星，但因为当时对这件工作漫不经心而未曾进一步的核对。
海王星外观为蓝色，原因是其大气层中的甲烷。海王星大气层85%是氢气，13%是氦气，2%是甲烷，除此之外还有少量氨气。海王星可能有一个固态的核，其表面可能覆盖有一层冰。外面的大气层可能分层。海王星表面温度为零下218度，表面风速可以达每小时2000千米。
此外，海王星有磁场和极光，还有因甲烷受太阳照射而产生的烟雾。海王星的赤道半径为24750千米，是地球赤道半径的3.88倍，海王星呈扁球形，它的体积是地球体积的57倍，质量是地球质量的17.22倍，平均密度为每立方厘米1.66克。
海王星在太阳系中，仅比木星和土星小，是太阳系的第三大行星。因为其质量较典型类木行星小，而且密度、组成成分、内部结构也与类木行星有显著差别，所以海王星和天王星常常被归为类木行星的一个子类，就是远日行星。在寻找太阳系外行星领域，海王星被用作一个通用代号，指所发现的有着类似海王星质量的系外行星，就如同天文学家们常常说的那些系外“木星”。
因为轨道距离太阳很远，海王星从太阳得到的热量很少，所以海王星大气层顶端温度只有零下218度。由大气层顶端向内部的温度稳步上升。和天王星类似，星球内部热量的来源仍然是未知的，而实际现象却是显著的。
作为太阳系最外部的行星，海王星内部能量却大到足以维持太阳系所有行星系统中已知的最高速风暴。对其内部热源有几种解释，包括行星内核的放射热源，行星生成时吸积盘塌缩能量的散热，还有重力波对平流圈界面的扰动。海王星内部结构和天王星相似。行星核是一个质量大概不超过一个地球质量的由岩石和冰构成的混合体。海王星地幔总质量相当于10—15个地球质量，富含水、氨、甲烷以及其他成分。
作为行星学惯例，这种混合物被叫作“冰”，虽然它其实是高度压缩的过热流体。这种高电导的流体通常也被叫作“水”。
大气层包括从顶端向中心的10%—20%，高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷、氨和水的含量随高度降低而增加。越到内部大气底端温度越高，密度越大，进而逐渐和行星地幔的过热液体混为一体。
海王星内核的压力是地球表面大气压的数百万倍。通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。
这颗蓝色行星有着暗淡的天蓝色圆环，但与土星相去甚远。当这些环由以爱德华为首的团队发现时，曾被认为也许是不完整的。然而，“旅行者”2号的发现表明并非如此。
这些行星环有一个特别的“堆状”结构，其起因目前不明，但也许可以归结于附近轨道上的小卫星的引力相互作用。有学者认为，海王星环不完整的证据首次出现在20世纪80年代中期，当时观测到海王星在掩星前后出现了偶尔的额外“闪光”。“旅行者”2号在1989年拍摄的图像发现了这个包含几个微弱圆环的行星环系统，从而解决了这个问题。最外层的圆环——“亚当斯”，包含三段显著的弧。弧的存在非常难于理解，因为运动定律预示弧应在不长的时间内变成分布一致的圆环。目前认为，环内侧卫星海卫六引力作用束缚了弧的运动。
“旅行者”的照相机还发现了其他几个环。除了狭窄的、距海王星中心63000千米的亚当斯环之外，勒维耶环距中心53000千米，更宽、更暗的伽勒环距中心42000千米。勒维耶环外侧的暗淡圆环被命名为拉塞尔；再往外是距中心57000千米的Arago环。2005年新发表的在地球上观察的结果表明，海王星的环比原先以为的更不稳定。凯克天文台在2002年和2003年拍摄的图像显示，与“旅行者”2号拍摄时相比，海王星环发生了显著的退化。有的环也许在一个世纪左右就会消失。
由于旅途遥远，地球仅有一艘宇宙飞船“旅行者”2号于1989年8月25日造访过海王星。当日，“旅行者”2号到达距海王星最近的地点。因为这是“旅行者”2号飞船所要飞临的最后一个主要行星，也就没有后续轨道限制了，它的轨道非常接近卫星海卫一，正如“旅行者”1号飞越土星和它的卫星土卫六时所选择的轨道那样。这次探测发现了大黑斑，但后来用哈勃太空望远镜观察海王星时发现大黑斑已经消失。大黑斑起初被认为是一大块云，而据后来推断，它应该是可见云层上的一个孔洞。
“旅行者”2号还飞向海卫一进行了考察，发现海卫一确是太阳系中唯一一颗沿行星自转方向逆行的大卫星，也是太阳系中最冷的天体。它比原来想象的更亮、更冷和更小，表面温度为零下240度，部分地区被水冰和雪覆盖，时常下雪。上面有3座冰火山，曾喷出过冰冻的甲烷或氮冰微粒，喷射高度有时达32千米。海卫一上可能存在液氮海洋和冰湖，到处都有断层、高山、峡谷和冰川，这表明海卫一上可能发生过类似的地震。海卫一上有一层由氮气组成的稀薄大气层，它的极冠被冻结的氮形成一个耀眼的白色世界。