Neptune est la plus éloignée des quatre planètes géantes du Système solaire. Elle doit sa couleur bleue à la réflexion du rayonnement bleu du Soleil par le méthane présent en petite quantité (et accompagné d'eau liquide en gouttelettes et d'ammoniac) dans une atmosphère essentiellement constituée d'hydrogène et secondairement d'hélium comme celle les autres planètes géantes.

Cette atmosphère est parcourue de vents violents. Ce sont les plus rapides du Système solaire. Leur souffle pousse, à des vitesses dépassant les 1000, voire les 2000 kilomètres par heure, les rares nuages que l'on peut y distinguer. Des ouragans géants peuvent aussi voir le jour et rester très stables, comme la Grande tache sombre, une tempête tourbillonnante repérée en 1989, et qui ressemblait beaucoup à la Grande Tache rouge de Jupiter, mais dont on a perdu la trace depuis 1996.  Ajoutons que les observations à l'aide du télescope spatial Hubble ont montré en 2003 un accroissement de la luminosité de l'hémisphère austral de la planète qui a été interprétée comme l'effet de changements saisonniers. 
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Variations saisonnières observées dans l'atomosphère de Neptune 
par le télescope saptial Hubble. (Source : NASA).

Neptune est la dernière découverte des quatre planètes géantes du Système solaire. Son histoire est donc courte et se résume à trois chapitres principaux : celui de sa découverte, celui de son exploration in situ, par la sonde spatiale Voyager 2, et, enfin, celui de la découverte de ses satellites et de ses anneaux, qui s'est faite en partie depuis la Terre et en partie sur place.

Déjà vue à plusieurs reprises, Neptune mais n'a été reconnue comme planète, avec la première observation qu'en a faite Galle, le 23 septembre 1846, et qui se basait sur les prédictions de Le Verrier et d' Adams. Une découverte remarquable, témoin du haut degré de précision que pouvaient atteindre à cette époque les calculs astronomiques.

Pendant longtemps ensuite, on apprendra peu de chose sur la planète. Des études spectroscopiques conduites par Moore et Menzel, à l'observatoire Lick ont montré en 1928 que celle-ci a une rotation directe dont la période est estimée à une quinzaine d'heures. Les grands instruments, tels que la lunette du Pic du midi, ont également révélé quelques détails sur le disque bleuté. Ainsi à partir de 1948, y signale-t-on des taches sombres ou claires peu contrastées. Depuis ce même observatoire, Henri Camichel mesure par ailleurs le disque et estime son diamètre à 44300 km, sans pouvoir constater d'aplatissement notable aux pôles, malgré les déductions que Tisserand, au XIXe siècle, avaient faites à partir de la précession de l'orbite du principale satellite de Neptune. Kuiper en 1954, qui utilise le télescope du mont Palomar, note la probable absence de bandes comparables à celle de Jupiter ou Saturne, mais observe une zone équatoriale brillante.

Sans doute les grands télescopes actuels, et l'accès qu'ils ouvrent aux divers domaines du spectre électromagnétique (U.V., radio et infrarouge...) permettent désormais d'aller beaucoup plus loin dans les observations de la planète depuis la Terre. Reste que l'on doit l'essentiel de ce que l'on sait aujourd'hui sur Neptune à l'exploration spatiale, qui à ce jour, n'a d'ailleurs été le fait que d'une seule sonde, Voyager 2, parvenue à proximité de la planète le 25 août 1989.

La mission Voyager a également permis la découverte de plusieurs satellites, ainsi que d'anneaux autour de Neptune. Auparavant, on n'en connaissait que deux : Triton et Néréide. L'observation du premier satellite de Neptune avait été dès 1847 par Lassell. Pour le second, il avait fallu attendre plus d'un siècle pour que Kuiper, l'observe en 1959.
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Structure hypothétique de l'intérieur de Neptune.

Neptune possède au moins treize satellites (2008); cinq nouveaux, et peut-être un sixième, pourraient avoir été repérés en 2005. A l'exception de Triton, ce sont des corps minuscules, ne dépassant pas la centaine de kilomètres de diamètre. Ils sont de forme irrégulière, extrêmement sombres, et couverts de cratères. Certains sont peut-être les fragments d'un satellite détruit, dans le passé, par une collision avec un gros météorite.

Anneaux
Quatre anneaux entourent Neptune. Ils sont composés de petites particules de roche et de poussière. Sur l'anneau extérieur, se détachent quatre renflements lumineux qui correspondent à des accumulations plus importantes de matière. Ces arcs ont été baptisés Liberté, Égalité, Fraternité et Courage.