Die Existenz und die Position des Neptuns wurden aufgrund von Störungen auf die Bahnbewegung des Uranus unabhängig voneinander von den Mathematikern John Couch Adams und Jean Joseph Leverrier berechnet. Auf Basis der Berechnungen von Leverrier fand am 23. September 1846 der Astronom Johann Gottfried Galle an der Berliner Sternwarte den Neptun.
Der Neptun hat einen Äquatordurchmesser von 49.528 km und einen Poldurchmesser von 48.628 km. Die Masse des Neptuns beträgt rund 17,1 Erdmassen und seine Dichte 1,67 g/cm³. Der Planet rotiert in 16h 03min um seine eigene Achse, welche um 28,32° gegenüber seiner Bahnebene geneigt ist. Die Neigung der Rotationsachse liegt damit in einer vergleichbaren Größenordnung wie die der Erde, des Mars und des Saturns, so dass es Jahreszeiten auf dem Neptun gibt. Die Umlaufzeit des Neptuns um die Sonne beträgt 165 Jahre.
Die mittlere Entfernung des Neptuns zur Sonne beträgt rund 4.495 Millionen Kilometer. Im Perihel (sonnennächsten Punkt) seiner Bahn ist er rund 4456 Millionen km, im Aphel (sonnenfernsten Punkt) rund 4537 Millionen km von der Sonne entfernt. Die Bahn des Neptuns hat eine Exzentrizität von e = 0,0113 und eine Neigung von 1,769° gegenüber der Ekliptik. Der Abstand des Neptuns von der Erde schwankt zwischen 4.305,90 Millionen km (Opposition im Perihel) und 4.687,30 Millionen Kilometer (Konjunktion im Aphel). Die mittlere Oppositions-Entfernung des Neptuns zur Erde beträgt 4.347,31 Millionen km. Die scheinbare Größe der Planetenscheibe von der Erde aus betrachtet schwankt entsprechend zwischen 2,4 und 2,2 Bogensekunden. Die maximale Oppositionshelligkeit beträgt 7m,78. Bei einer mittleren Oppositionsentfernung zur Erde betragen seine scheinbare Helligkeit 7m,8 und seine scheinbare Größe 2,3 Bogensekunden. Mit bloßem Auge ist der Neptun also definitiv nicht sichtbar.
Der Neptun verfügt über eine dichte Atmosphäre, welche etwa zu 80,0 Prozent ± 3,2 Prozent aus molekularem Wasserstoff (H2), zu 19,0 Prozent ± 3,2 Prozent aus Helium (He) und zu 1,5 Prozent ± 0,5 Prozent aus Methan (CH4) besteht. In geringen Anteilen kommen auch Ammoniak (NH3), Ethan (C2H6) und andere Verbindungen vor. Im Gegensatz zu Jupiter und Saturn ist der Anteil an Methan beim Neptun wie im Falle des Uranus höher. Während es bei Jupiter und Saturn in der oberen Atmosphärenschicht Wolken aus Ammoniak gibt, sind es im Falle des Neptuns wie beim Uranus welche aus Methan. Für die blaue Färbung der Atmosphäre des Neptuns dürfte ebenfalls Methan verantwortlich sein.
Der Aufbau des Neptuns ist noch nicht abschließend erforscht, so dass Modelle darüber erstellt werden. Von außen nach innen nehmen Druck und Temperatur zu. Die äußere Hülle aus molekularem Wasserstoff (H2) hat eine Dicke von 5.000 km. Diese Hülle ist zunächst gasförmig, dürfte jedoch in der Tiefe in eine flüssige Phase übergehen. Allerdings reichen Druck und Temperatur nicht aus, damit wie beim Jupiter und Saturn der Wasserstoff in einen metallischen Zustand (Gitter aus Protonen, freie Elektronen) übergeht. Der Hülle aus molekularem Wasserstoff schließt sich eine Eisschicht an, deren Dicke mit 10.000 km angenommen wird. Die Eisschichten bei Uranus und Neptun dürften größer als die von Jupiter und Saturn sein. Damit gehören Uranus und Neptun der Gruppe der sogenannten Eisplaneten an, einer Untergruppe der Gasplaneten. Der Kern des Neptuns hat einen Durchmesser von etwa 10.000 km und dürfte ähnlich wie im Falle der anderen Gasplaneten aus Silikaten und Metallen aufgebaut sein
Der Neptun verfügt nach derzeitigem Wissensstand über 14 Monde. Der größte Mond des Neptuns ist Triton. Dieser hat einen Durchmesser von 2720 km und ist aus Eis und Silikaten aufgebaut. Damit ist Triton in Größe und Aufbau vergleichbar mit dem Zwergplaneten Pluto. Des Weiteren verfügt der Neptun über ein Ringsystem.
Als bisher einzige Raumsonde flog am 25. August 1989 die am 20. August 1977 gestartete Sonde Voyager 2 (NASA / USA) am Neptun vorbei.