W przeciwieństwie do niemal pozbawionej wyróżniających się struktur atmosfery Urana, atmosferę Neptuna cechuje aktywność i widoczne układy pogodowe. Podczas przelotu w 1989 roku Voyager 2 odkrył na półkuli południowej Wielką Ciemną Plamę. Jest to gigantyczny antycyklon o rozmiarach 13 000 na 6600 km, który obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a jego wielkość jest zbliżona do rozmiarów Ziemi. Z kolei Mała Ciemna Plama ma rozmiar zbliżony do rozmiaru Księżyca. Takie struktury są napędzane przez najsilniejsze wiatry w Układzie Słonecznym; rekord prędkości wiatru to aż 2100 km/h. Duża odległość od Słońca powoduje, że zewnętrzna atmosfera Neptuna jest jednym z najzimniejszych miejsc w Układzie Słonecznym; temperatura efektywna widocznej „powierzchni” planety to około (46,6 K). Jednak w centrum planety temperatura sięga około .
Neptun ma słaby i pozornie niekompletny system pierścieni. Pierwsze sygnały o istnieniu tych struktur pochodzą z lat 60. XX w., lecz dopiero w 1989 roku sonda Voyager 2 bezsprzecznie potwierdziła ich istnienie.