Historia badania – planeta, którą odkryto najpóźniej. Tak, jak Uran, także Neptun nie był znany w starożytności. Odkrycie Neptuna miało miejsce 23 września 1846 roku. Było to możliwe głównie dzięki obliczeniom matematycznym. Zastąpiły one obserwacje nieba. Ponadto astronomowie obserwujący Urana dopatrzyli się niezgodności między jego rzeczywistą pozycją na niebie a swoim obliczeniami. Doszli więc do wniosku, że powoduje to oddziaływanie innej, nieznanej wcześniej planety. Odnalezienie planety nastąpiło w odległości 1 stopnia od spodziewanej lokalizacji. Jednocześnie zauważono anomalie w orbicie Neptuna, co tłumaczono oddziaływaniem innej dużej planety. Tą planetą miałaby być rzekoma planeta X a później posądzano o to Plutona. Niedługo potem odnaleziono także największy księżyc planety – Trytona. Do dziś nie udało się jednomyślnie ustalić, kto odkrył planetę. Do tej godności pretenduje 3 badaczy, którzy praktycznie jednocześnie wpadli na to odkrycie. Wiadome jest, że 250 lat wcześniej widział  Neptuna już sam Galileusz, lecz nie był on świadomy, że to co widzi to nowa planeta.

Eksploracja w XX-XXI wieku. Z uwagi na odległość Neptun także należy do dużych obiektów, które nie miały okazje być na celowniku sond i lądowników zbyt często. Jedyną sondą, która tam dotarła, był Voyager 2 w 1989 roku. Zbliżył się on na odległość 3000 km do północnego bieguna planety. Odkrył on Wielką Ciemną Plamę na powierzchni Neptuna, otaczające planetę pierścienie oraz szcześć kolejnych, znacznie mniejszych księżyców, które sfotografował. Na jednym z księżyców, Trytonie, dostrzegł czarne, azotowe gejzery, które nadawały rozmaitą barwę powierzchni tego księżyca. Ponadto zaobserwował na nim czapy lodowe na biegunach. Analizując atmosferę planety dostrzegł także zorze i szybko przemieszczające się obłoki nazwane „skuterami”. Dzięki Voyager’owi 2 naukowcy mogli przeanalizować również magnetosferę planety. W przyszłości (do 2035 roku) NASA planuje wysłać tam kolejną sondę w ramach misji Neptune Orbiter. Miałaby być wystrzelona prawdopodobnie w 2016 roku. Z orbity Ziemi obserwację Neptuna prowadzi jeszcze Teleskop Hubble’a.