Neptune possède probablement un noyau rocheux formé de silicium, de fer et d'autres éléments lourds, entourés d'un manteau liquide de méthane, d'ammoniac et d'eau. Le manteau est à son tour entouré d'une atmosphère à faible densité.

Comme pour les autres planètes géantes et extérieures, son atmosphère est principalement composée d'hydrogène et d'hélium. Elle est dominée par des nuages de cristaux de méthane qui lui donnent une coloration bleue.

La rotation de la planète sur elle-même en à peine plus de 16 heures, amène, là encore, les nuages à se répartir en bandes parallèles à l'équateur, avec des vents de 600 km/h environ.

Une différence intéressante entre Neptune et Uranus est que Neptune possède une source interne de chaleur, ce qui signifie que les températures des deux planètes sont presque identiques, bien que Neptune soit beaucoup plus éloignée du Soleil.