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.

Wielka Ciemna Plama – nie tylko Jowisz może pochwalić się solidnym huraganem. Nie tylko Jowisz posiada swój sztandarowy antycyklon, widoczny z oddali. Swoją wersję ma też Neptun. Odkryty został przez sondę Voyager 2 w 1989 roku. Istnieje on na półkuli południowej. Analizując jej wielkość i rozmiary oraz proporcje przypomina Wielką Czerwoną Plamę. Jego wymiary w zależności od szacunków to 13000 km na 6600 km bądź 8100 km na 4100 km. Neptunowy antycyklon obraca się ruchem przeciwnym do wskazówek zegara. Wiatry wiejące wokół niego osiągają prędkość 2400 km/h, co stanowi rekord w naszym Układzie Słonecznym. Wznosi się nieznacznie ponad poziom sąsiednich chmur i znacznie mniejszych okolicznych wirów. Na krawędziach Wielkiej Ciemnej Plamy pojawiają się cirrusy koloru białego a sama plama ma ciemnoniebieską barwę. Wspomniane wyżej cirrusy, powstałe ze zmrożonego, krystalicznego metanu, przyczepiają się do antycyklonu. Jego pełny obrót trwa 18,3 godziny. W ostatnich latach na północnej półkuli zaczął się pojawiać podobny twór, któremu nadano już nazwę Północnej Wielkiej Ciemnej Plamy.

Pierścienie Neptuna – niezbyt widoczne, lecz z perspektywą na przyszłość. Praktycznie całą wiedzę o pierścieniach dostarczyła sonda Voyager 2 w 1989 roku. W odróżnieniu od pierścieni pozostałych planet, cztery grupy pierścieni Neptuna nie są kompletne, bo nie tworzą zamkniętych okręgów ale koliste łuki. Tylko siedem grup pierścieni jest kompletna. Winę za to ponosi grawitacyjne oddziaływanie niektórych księżyców, takich jak Galatea. Całkowita ich grubość, wliczając w to przerwy między nimi wynosi ok. 21000 km. Pierścienie łukowe mają nadane nazwy – Wolność, Równość i Braterstwo. Pozostałe zaś mają nazwy od nazwisk astronomów. Zbudowane są z mikroskopijnego pyłu o ciemnej barwie. W oparciu o obliczenia, niektórzy naukowcy są przekonani, że za kilkadziesiąt milionów lat największy księżyc – Tryton, przekroczy tzw. granicę Roche’a (tzn. linia, poza którą satelita danej planety nie może okrążać planety macierzystej i ulega rozerwaniu przez jej siły pływowe) rozpadnie się na drobiny. Wówczas miałby powstać wielki pierścień wokół planety, przypominający obiekty wokół Saturna.

Księżyce Neptuna – mnogość światów Neptuna. Do dzisiaj odkryto 13 naturalnych satelitów tej planety. Wśród nich, jeden jest sferycznym ciałem, który ma średnicę 2705 km. Natomiast większość z nich ma od  kilkudziesięciu do kilkuset kilometrów średnicy i nieregularny kształt, niczym wielkie asteroidy przechwycone przez pole grawitacyjne Neptuna. Owy największy księżyc – Tryton – odkryto razem z macierzystą planetą w 1846 roku. Jest on obiektem przechwyconym przez pole grawitacyjne Neptuna z Pasa Kuipera, ponieważ porusza się ruchem wstecznym względem planety macierzystej. Drugi księżyc Nereida odkryto w 1949 roku i jest on już o wiele mniejszy, bo ma 340 km średnicy. Dopiero przelot Voyagera 2 w 1989 przyniósł lawinowe odkrycia następnych księżyców. Wszystkie one posiadały nieregularne kształty i były za małe, by można było je dostrzec wyraźnie z Ziemi. Następne kilka księżyców odnaleziono na początku XXI wieku. Niektóre z nich – Neso i Psamathe powstały prawdopodobnie po rozpadzie jednego księżyca. Sugeruje to bliskość ich orbit wokół planety macierzystej.