Im Gegensatz zum Bruderplanet Uranus kann man in der Atmosphäre des Neptun einige Wolkenstrukturen ausmachen, wie z. B. den „Großen Dunklen Fleck“ (vgl. das Voyager-Foto links). Man nimmt an, dass der Fleck ähnlich wie der Große Rote Fleck beim Jupiter ein Wirbelsturm-System ist.
Die Entdeckung des Planeten Neptun ist ein regelrechter Triumph der Naturwissenschaften: Genaueste Beobachtungen der Uranus-Positionen zeigten leichte Abweichungen von der Kepler’schen Ellipsenbahn (vgl. Kepler’sche Gesetze). Der englische Mathematiker John Adams schlug zur Erklärung dieser Störung die Existenz eines weiteren Planeten hinter der Uranus-Bahn vor. Der Franzose Urbain Leverrier berechnete die Position dieses hypothetischen Planeten und teilte sie dem Leiter der Berliner Sternwarte, Johann Galle, mit. Galle richtete im September 1846 sein Teleskop auf diese Himmelsregion und fand den Neptun – nur wenig neben der vorausgesagten Position.
Neptun benötigt fast 165 Jahre für einen Umlauf um die Sonne. Erst im Jahr 2011 wird er wieder an der Stelle zu sehen sein, an der Galle ihn entdeckt hat.