海王星是太陽系八大行星中距離太陽最遠的，體積是太陽系第四大，但質量排名是第三。海王星的質量大約是地球的17倍，而類似雙胞胎的天王星因密度較低，質量大約是地球的14倍。海王星大氣層85%是氫氣，13%是氦氣，2%是甲烷，除此之外還有少量氨氣。在大氣層中的甲烷，只是使行星呈現藍色的一部分原因。因為海王星的藍色比有同樣份量的天王星更為鮮豔，因此應該還有其他的成分對海王星明顯的顏色有所貢獻。
藍色行星——海王星
海王星的發現，並非是通過望遠鏡直接觀測而確定的，而是通過對天王星的觀察在通過一系列數學計算而認定的，其被發現的過程還有些不小的曲折。其實，伽利略早在1612年12月28日首度觀測並描繪出海王星，1613年1月27日又再次觀測，但因為觀測的位置在夜空中都靠近木星（在合的位置），這兩次機會伽利略都誤認海王星是一顆恆星。相信是恆星，而不相信自己的發現，是因為1612年12月第一次觀測的，海王星在留轉向退行的位置，因為剛開始退行時的運動還十分微小，以至於伽利略的小望遠鏡查覺不出位置的改變。
在1821年，Alexis Bouvard出版了天王星的軌道表， 隨後的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差，使得Bouvard假設有一個攝動體存在。在1843年約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道，並將計算結果皇家天文學家喬治·艾裡，他問了亞當斯一些計算上的問題，亞當斯雖然草擬了答案但未曾回覆。
在1846年，法國工藝學院的天文學教師勒維耶，在得不到同袍的支持下，以自己的熱誠獨立完成了海王星位置的推算。但是，在同一年，約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星，並說服詹姆斯·查理士著手進行。
在多次躭擱之後，查理士在1846年7月勉強開始了搜尋的工作；而在同時，勒維耶也說服了柏林天文臺的約翰·格弗裡恩·伽勒搜尋行星。當時仍是柏林天文臺的學生達赫斯特（Heinrich d'Arrest）表示正好完成了勒維耶預測天區的最新星圖，可以做為尋找新行星時與恆星比對的參考圖。在1846年9月23日晚間，海王星被發現了，與勒維耶預測的位置相距不到1°，但與亞當斯預測的位置相差10°。事後，查理士發現他在8月時已經兩度觀測到海王星，但因為對這件工作漫不經心而未曾進一步的核對。
在被發現之後的一段時間，海王星不是被稱為天王星外的行星就是勒維耶的行星。伽雷是第一位建議取名的人，他建議的名稱是Janus（羅馬神話中看守門戶的雙面神）。在英國，查理士將之命名為Oceanus；在法國，Arago建議稱為勒維耶，以回應法國之外強烈的抗議聲浪。法國天文年曆當時以赫歇耳稱呼天王星，相對於以勒維耶稱呼這顆新發現的行星。 同時，在分開和獨立的場合，亞當斯建議修改天王星的名稱為喬治，而勒維耶經由經度委員會建議以Neptune（海王星）作為新行星的名字。Struve 在1846年12月29日於聖彼得堡科學院挺身而出支持勒維耶建議的名稱。很快的，海王星成為國際上被接受的新名稱。在羅馬神話中的Neptune等同於希臘神話的Poseidon，都是海神，因此中文翻譯成海王星。 新發現的行星遵循了行星以神話中的眾神為名的原則，而除了天王星之外，都是在遠古時代就被命名的。
海神波塞冬
海王星外觀為藍色，原由是其大氣層中的甲烷。海王星大氣層85%是氫氣，13%是氦氣，2%是甲烷，除此之外還有少量氨氣。
海王星可能有一個固態的核，其表面可能覆蓋有一層冰。外面的大氣層可能分層。海王星表面溫度為攝氏-218度，表面風速可達每小時2000公里。
此外，海王星有磁場和極光。還有因甲烷受太陽照射而產生的煙霧。
海王星的赤道半徑為24750公里，是地球赤道半徑的3.88倍，海王星呈扁球形，它的體積是地球體積的57倍，質量是地球質量的17.22倍， 平均密度為每立方厘米1.66克。海王星在太陽系中，僅比木星和土星小，是太陽系的第三大行星。
海王星與地球的比較
海王星內部結構和天王星相似。行星核是一個質量大概不超過一個地球質量的由岩石和冰構成的混合體。海王星地幔總質量相當於10到15個地球質量，富含水，氨，甲烷和其它成份。作為行星學慣例，這種混合物被叫作冰，雖然其實是高度壓縮的過熱流體。這種高電導的流體通常也被叫作水-氨大洋。大氣層包括大約從頂端向中心的10％到20％，高層大氣主由80％氫和19％氦組成。甲烷，氨和水的含量隨高度降低而增加。更內部大氣底端溫度更高，密度更大，進而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。海王星內核的壓力是地球表面大氣壓的數百萬倍。通過比較轉速和扁率可知海王星的質量分佈不如天王星集中。
海王星環
海王星有著暗淡的天藍色圓環，但和土星的環相比相差甚遠，在海王星環被發現後，天文學家發現這些環並不穩定，在2005年新發表的在地球上觀察的結果表明，海王星的環比原先以為的更不穩定。凱克天文臺在2002年和2003年拍攝的圖像顯示，與“旅行者2號”拍攝時相比，海王星的環發生了明顯的退化。其中一個環也許在一個世紀左右後就會消失。
海王星有13顆已知的天然衛星，其中最大的海衛一是在海王星被發現的17天后被威廉·拉塞爾發現。與其他大型衛星不同的是，海衛一運行於逆行軌道，這說明它是被海王星俘獲的，曾經也許是一個柯伊伯帶天體。它於海王星的距離足夠近使它被鎖定在同步軌道上，它將被海王星的引力所吸引，慢慢接近海王星，當接近到一個極限後，它將被海王星的引力撕開。海衛一是太陽系中被測量的最冷的天體，溫度為-235℃。
冰冷的海衛一
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