作為太陽係最外部的行星，海王星內部能量卻大到維持了太陽係所有行星係統中已知的最高速風暴。對其內部熱源有幾種解釋，包括行星內核的放射熱源，行星生成時吸積盤塌縮能量的散熱，還有重力波對平流圈界麵的擾動。
海王星的內部構成
海王星內部結構和天王星相似。行星核是一個質量大概不超過一個地球質量的由岩石和冰構成的混合體。海王星地幔總質量相當於10到15個地球質量，富含水、氨、甲烷和其他成分。
作為行星學慣例，這種混合物被叫作冰，雖然其實是高度壓縮的過熱流體。這種高電導的流體通常也被叫作水。
大氣層包括大約從頂端向中心的10%至20%，高層大氣主要由80%氫和19%氦組成。甲烷、氨和水的含量隨高度降低而增加。越到內部大氣底端溫度越高，密度越大，進而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。
海王星內核的壓力是地球表麵大氣壓的數百萬倍。通過比較轉速和扁率可知海王星的質量分布不如天王星集中。
海王星的行星環
這顆藍色行星有著暗淡的天藍色圓環，但與土星比起來相去甚遠。當這些環由以愛德華為首的團隊發現時，曾被認為也許是不完整的。然而，“旅行者2號”探測器的發現表明並非如此。
這些行星環有一個特別的“堆狀”結構，其起因目前不明，但也許可以歸結於附近軌道上的小衛星的引力相互作用。認為海王星環不完整的證據首次出現在20世紀80年代中期，當時觀測到海王星在掩星前後出現了偶爾的額外“閃光”。
“旅行者2號”探測器在1989年拍攝的圖像發現了這個包含幾個微弱圓環的行星環係統，從而解決了這個問題。最外層的圓環，包含三段顯著的弧，現在名為“自由”、“平等”、“博愛”。
弧的存在非常難於理解，因為運動定律預示，弧應在不長的時間內變成分布一致的圓環。目前認為是環內側的衛星海衛六的引力作用束縛了弧的運動。
“旅行者2號”探測器的照相機還發現了其他幾個環。除了狹窄的、距海王星中心63000千米的亞當斯環之外，勒維耶環距中心53000千米，更寬、更暗的伽雷環距中心42000千米。勒維耶環外側的暗淡圓環被命名為拉塞爾；再往外是距中心57000千米的Arago環。
2005年發表的論文表明，海王星的環比原先以為的更不穩定。凱克天文台在2002年和2003年拍攝的圖像顯示，與“旅行者2號”探測器拍攝時相比，海王星環發生了顯著的退化。有的環也許在一個世紀左右就會消失。
海王星的研究
由於旅途遙遠，地球上僅有一艘無人宇宙飛船——“旅行者2號”於1989年8月25日造訪過海王星。
當日，“旅行者2號”到達距海王星最近的地點。因為這是“旅行者2號”所要飛臨的最後一個主要行星，也就沒有後續軌道限製了，它的軌道非常接近衛星海衛一，正如“旅行者1號”飛越土星和它的衛星土衛六時所選擇的軌道那樣。
這次探測發現了大黑斑，但後來用哈勃太空望遠鏡觀察海王星時發現大黑斑已經消失。
大黑斑起初被認為是一大塊雲，而據後來推斷，它應該是可見雲層上的一個孔洞。
“旅行者2號”探測器還飛向海衛一進行了考察，發現海衛一確實是太陽係中唯一一顆沿行星自轉方向逆行的大衛星，也是太陽係中最冷的天體。
它比原來想象的更亮、更冷和更小，表麵溫度為零下240攝氏度，部分地區被水冰和雪覆蓋，時常下雪。
上麵有3座冰火山，曾噴出過冰凍的甲烷或氮冰微粒，噴射高度有時達32千米。海衛一上可能存在液氮海洋和冰湖，到處都有斷層、高山、峽穀和冰川，這表明海衛一上可能發生過類似的地震。海衛一上有一層由氮氣組成的稀薄大氣層，它的極冠被凍結的氮形成一個耀眼的白色世界。
拓展閱讀
肉眼看不到海王星，因為它的亮度比木星的伽利略衛星、矮行星、穀神星和小行星、灶神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在天文望遠鏡或優質的雙筒望遠鏡中，海王星顯現為一個小小的藍色圓盤，看上去與天王星很相似。