起初，人们是不知道有海王星的，在天王星被发现后，人们的注意力被吸引到天王星上，全世界都在研究、计算这颗新行星轨道的要素，它却使天文学家伤透脑筋。人们注意到天王星并不严格按照它预期的路径移动，那时，牛顿力学正被用来计算行星以及它们卫星的轨道和位置，达到了从未有过的精确度。但实际观测到的天王星位置总是同预报的位置不一致，让兴致勃勃研究新行星的人们总是扫兴而归。这就引起了天文学家们的深思。是不是有新的行星不遵从这些规律呢？可能牛顿的经典物理学定律在远离太阳的地方根本不适用了？
正当有些科学家的信念开始动摇时，有两位素不相识的天文学家各自独立地证明了天王星的这种反常行为是因为一颗更远的、尚未发现的行星效应。这两位天文学家是英国人亚当斯和法国人勒维耶。他们两人都论证出，天王星偏离它的预期轨道，可能是另一颗更远的未知行星引力作用的结果。他们通过计算得出了这颗未知行星可能经过的位置。1845年，英国剑桥大学学生亚当斯，比勒维耶早几个月得到正确结果。不幸的是，他仅仅把这个正确结果口头上通知剑桥天文台一位天文学家，并且错过了书面公布其发现的时间。
因此发现这颗新行星的功绩反而归于勒维耶。1846年，法国天文学家勒维耶把他的研究结果寄给了柏林天文台的加勒，引起加勒的重视，加勒当晚就进行了观测，在勒维耶预报的位置附近，果然找到了这颗新行星——海王星。发现它的位置同勒维耶指出的位置相差不到1°，海王星是凭借纸笔计算发现的，经典力学和牛顿力学竟是放之四海而皆准，证明了开普勒定律可以用来预报尚未发现的行星的存在，海王星成了笔尖底下出现的行星。这也说明当时天文计算已达到相当高的精度。
海王星和天王星，在许多方面相似，就像是一对孪生子。他们在大小、质量、密度方面都差不多，很可能是化学组成，内部结构也基本相同。
海王星也有大气，主要成分是氢、甲烷、氨等气体。
1989年8月“旅行者2号”来到了海王星，带回给我们的信息是前所未有的，海王星也是非常美丽的。它有4个光环和1个尘埃壳，周围有8个卫星环绕，大气中存在云和风暴。
海王星的大气中，有三个显著的亮斑和两个暗斑，一个大黑斑。大圆卵形的暗斑直径大约1.28万千米，类似木星红斑，看上去犹如黑眼睛，因此相对而言地称为“大黑斑”。它位于赤道以南21°，沿逆时针方向自转，大约每10天旋转一周。大黑斑的形状不断改变。当经七个周期时，大黑斑在经度方向延伸，抛出一串暗斑向北扩展，然后拉长变薄。这个大黑斑实际上是一个气旋，是海王星大气的高压区。
大黑斑的南部是编号为S1的亮斑，这片亮斑是发光的白云，它也在不停地增大收缩，东西移动，不过位置始终在大黑斑南部。
在大黑斑的南部纬度为51°是第二个黑斑，不大，但颜色更黑，中心飘着醒目的白云，白云对流强烈，可以看到新的物质明显地从底部往上冒。海王星的大气中含有高浓度的甲烷和氢硫化物。海王星也有光环。木星、土星、天王星和海王星同属“类木行星”天体，前三个都已发现有环，所以人们自然就对海王星是否有环产生关注。
海王星发现后一个月，美国天文爱好者拉塞尔用望远镜观测海王星，报告说发现海王星环。后来，美国剑桥大学天文台台长查理斯，也证实了海王星确有环。但是也有许多天文学家们找不到环，于是开展了争论，海王星有环无环，光环是否失踪成了悬案。
这个案底还是由1977年上天的“旅行者2号”来揭开的，当它1989年飞近海王星时，发现海王星共有5个光环，其中有一个是尘埃壳。现在，所有天文学家都相信海王星是带环行星了。
海王星的4个光环中外面两个较亮、较窄，里面两个较暗。
处于两个窄环外面的尘埃壳既宽又厚，尘埃圆面宽达1万千米。
耐人寻味的海王卫星。
“旅行者二号”发现6颗新卫星，新发现的卫星，从外到里暂时编号为1989N1～1989N6，1989N1这颗小卫星明显不圆，似乎冻得很结实，从未熔化或变软过，表面非常暗。
最引人注意的还是耐人寻味的“海卫一”和“海卫二”，它们是地面观测发现的，“旅行者二号”重点考察了海卫一。海卫一的直径是2720千米，在太阳系卫星中名列第七。是逆行的卫星之一，海卫一表面温度零下240℃，是太阳系中迄今所知最冷的天体，海卫一有冻结氮构成的极冠，这个极冠覆盖了“海卫一”南半部的大部，寒冷异常。
海卫一赤道周围是一片开阔地，在那里，甲烷未溶解的氮和液态氨混合在一起，形成湖泊并淹没了火山口。
海卫一也有陨击坑，分布在极冠周围，估计已有30亿年的历史。
海卫一最令人感兴趣的要数它的类似羽状物的暗条纹。所有羽状物皆指向东北。科学家认为是背风处风蚀的结果，或者是海卫一南部因春天到来，极冰消融，地表下的氮沉积物在迅速膨胀。
海卫一已经是科学家注目的天体之一。
海卫二就小得多了，直径400千米。海卫二奇特之处在于轨道和亮度。它的轨道是扁长椭圆，偏心率达到0.75，比所有其他卫星轨道都显得更扁，近时只距海王星140万千米，远则可达970万千米。
海卫二的亮度在1987年7月的一次测量中在8昼夜内变化34次，实在显得扑朔迷离。
有人解释这是海卫二极不规则的形状造成，表面有不同的反照率。到目前为止，科学家尚不明白这样大的卫星，为什么会有如此不规则的形状。火星的卫星奇特是因为直径在30千米以下，一般认为，直径在400千米以上的天体，其引力都会使它呈相当规则的圆球形。
海卫一、海卫二都以其特有的性质引起天文学界的普遍关注，认为海王星在过去一定发生过一些特殊事件，只是目前还不能确定到底发生了什么。