天王星在1781年被F.W.赫赫歇尔发现，它的赤道半径约25900千米，体积约为地球的65倍，在八大行星中仅次于木星和土星。质量为8.742×1028克，相当于地球质量的14.63倍。密度较小，只有1.24克／厘米3，为海王星密度值的74.7％。因此，它虽然比海王星大，质量却只有海王星质量的85％。在太阳系八大行星中，它的质量仅次于木星、土星和海王星，居第四位。天王星是太阳系中拥有卫星数较多的行星之一，共27颗卫星。1977年，还发现天王星有光环。
天王星存在着浓密的大气，在望远镜中，它是一个蓝绿色的圆面。用放在高空气球上的口径为90厘米的望远镜拍得的高分辨率照片表明，天王星表面除了有很强的、对称的临边昏暗现象以外，没有其他形态特征。这说明天王星到处都覆盖着厚厚的云层。早在1869年，塞奇用分光仪对天王星进行目视观测时发现了一个强的吸收带，直到1932年，维尔特才证明它是甲烷的吸收带。1949年，柯伊伯在天王星光谱的827纳米附近发现了一个弥漫的吸收带，这是氢分子带。到1978年底为止，在天王星上只有这两种分子得到确认。根据理论推断，天王星上应当存在有大量的氨分子和水分子，估计那里也可能有相当数量的氦和氖，然而至今均未找到。这可能有两个原因：①这些元素的吸收带被很强的甲烷吸收带掩盖住了；②天王星上很冷，它们可能是“雪化”的气体，存在于大气中较深的内层，光谱无法探测。
氢分子是天王星大气的主要成分，根据理论推测，天王星上的氢气的质量大约是地球上所有气体的质量的50倍。与氢相比，甲烷是少的。天王星大气中存在着云层，通过光谱、光电、无线电测量对它的顶部云层进行了一些研究。初步认为，天王星具有一个温度较高的同温层和一个很冷的对流层顶。在对流层的下面，可能有2个云层：甲烷层和氨层，基于对临边昏暗现象的观测，证明后者存在，而甲烷云层则是稀薄的或者破碎的。甲烷云层吸收红光，使天王星呈现蓝绿色的光芒，甲烷上方是结晶体组成的浓雾。据推测，在天王星的云层下面有厚约1万多千米冰幔覆盖着的、深8000千米、温度高达4000℃的海洋，海洋下面是岩石构成的核心。天王星大气层的温度为-176℃，大气中有风暴云在移动。探测时天王星的南极正朝向太阳，被浓雾笼罩着，因此，天王星的北极反而比南极温度高。此外，还发现由氢分子辐射紫外线辉光，叫电辉光。在这个寒冷的行星上，还没有发现它有内部的热源，在大气中也没有热的反向传输，而这些在木星、土星等行星上都找到了。天王星上的气候变化可能比地球上小得多，因为太阳离它很远，促使气候变化的能量是非常小的。
人们至今对天王星的了解还不多。1986年旅行者探测器从距离天王星10万多千米的地方掠过，人们对它才稍有了解。它的外围有很厚的冰幔，一直延伸到半径约2/3的地方，其中主要是冰、干冰和氨。在冰幔下面是岩石核，后来更倾向于认为冰幔可能是由小颗粒冰和气体混合构成的一种超密的雾状物。天王星的磁场比较复杂，其中以偶极磁场为主，奇特的是磁轴对自转轴的倾角大到59°，而且磁轴中心偏离其质心7500千米（约1/3天王星半径），因而天王星的磁层很不对称，且在一个天王星自转周期内有很大变化。背太阳侧的磁感应线被太阳风扭曲成螺旋式。关于行星磁场的来源，目前一般用磁流体自激发电机模型来解释，根据天王星的磁场特征，意味着对流元比较大，因而发电机处于导电率较小的液态幔区。