Structura lui Neptun si seria de elemente care constituie aceasta planeta sunt asemanatoare cu cele ale planetei Uranus: diverse “gheturi” (aproximativ 15% hidrogen si putin heliu). Ca si Uranus, si spre deosebire de Jupiter si Saturn, planeta Neptun s-ar putea sa nu aiba o separare interna clara. Insa, cel mai probabil Neptun are un mic nucleu dur, care este egal cu masa Pamantului. Atmosfera de pe Neptun este in cea mai mare parte metan – culoarea albastra a planetei este rezultatul absorbtiei luminii rosii in atmosfera acestui gaz, ca si in cazul planetei Uranus.
Ca orice planeta gazoasa tipica, Neptun este faimoasa pentru furtunile si vartejurile mari, vanturi rapide pe benzi mici paralele cu ecuatorul. Vanturile de pe Neptun sunt cele mai rapide din sistemul solar – acestea pot accelera pana la 2200 de kilometri pe ora. Vanturile de pe Neptun sufla in directia vestica, in sens invers al rotatiei planetei. Rata de curgere si debitul din atmosfera unei planete gazoase creste odata cu distanta de la soare. Acest model nu are inca nicio explicatie. La fel ca Jupiter si Saturn, Neptun are o sursa interna de caldura – aceasta radiaza de 2,5 ori mai multa energie decat primeste de la soare.
In centrul planetei Neptun se estimeaza ca exista un nucleu greu de silicati, metale si alte elemente care alcatuiesc grupul Pamantului. Studiul asupra naturii de stea care dispare in timpul eclipsei sale a oferit mult mai multe informatii. S-a descoperit o greutate moleculara medie a atmosferei de deasupra norilor de pe Neptun. Aceasta corespunde cu o baza de hidrogen molecular cu un adaos mic de metan. Detaliile legate de suprafata planetei Neptun sunt foarte greu de distins. Parametrii rotatiei zilnice (pozitia axei, directia si perioada de rotatie) sunt foarte greu de determinat dupa observatiile de la sol.
Campul magnetic al planetei Neptun este orientat in mod ciudat, la fel ca si in cazul planetei Uranus. Acesta este posibil sa creeze miscari de material conductor (probabil apa), situat in straturile mijlocii ale planetei, deasupra nucleului. Axa magnetica este inclinata la 47 de grade fata de axa de rotatie a Pamantului. In plus, axa de simetrie a campului magnetic al lui Neptun nu trece prin centrul planetei (lucru foarte similar cu circumstantele existentei unui camp magnetic in jurul planetei Uranus). Prin urmare, domeniul de stres nu este constant pe suprafata in diverse locuri si variaza. Printr-o coincidenta, la apropierea de Neptun, Voyager s-a mutat aproape exact in directia polului sud magnetic al planetei, fapt care le-a permis oamenilor de stiinta sa efectueze o serie de studii unice – multe din rezultate inca sunt neintelese si pline de mister. S-au facut presupuneri legate de structura lui Neptun. Au fost descoperite fenomene in atmosfera, similare cu aurorele terestre. Cercetarea fenomenului magnetic i-a permis navei Voyager sa stabileasca exact perioada de rotatie a lui Neptun in jurul axei sale (16 ore si 7 minute).