Die Masse des Neptun beträgt 17,15 Erdmassen, und der Durchmesser am Äquator umfasst 49.492 Kilometer, sodass in seinem Innern etwa 60 Erdkugeln untergebracht werden könnten. Da Neptun etwas kleiner und massereicher als Uranus ist, fällt seine mittlere Dichte um etwa 25 Prozent höher aus.

Hochliegende Wolken in der Neptunatmosphäre. (© NASA/JPL)Hochliegende Wolken in der Neptunatmosphäre. (© NASA/JPL)Das Innere Neptuns besteht vermutlich aus einer teilweise oder vollständig getrennten Mischung von Eis und Gestein unter erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen. Die von Wassereis dominierte Kernregion schließt bis zu 70 Prozent des Planetenradius oder 80 Prozent der Planetenmasse ein. Die irreguläre Form des Neptunmagnetfeldes kann durch die Magnetfelderzeugung in einer verhältnismäßig dünnen flüssigen, elektrisch leitfähigen Schicht nahe der Oberfläche erklärt werden. Dieser „Ionenozean“ wird von einer dichten Atmosphäre umgeben, die sich aus molekularem Wasserstoff mit einem Heliumanteil von 10 bis 15 Prozent zusammensetzt. In großen Höhen bilden sich veränderliche helle Wolken und verbreitet Dunst durch die Kondensation von Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S) und Wasser (H2O). Die Sonde Voyager 2 beobachtete bei ihrem Vorbeiflug im Jahr 1989 einen ausgedehnten dunklen atmosphärischen Wirbel. Die Lebensdauer dieses Großen Dunklen Flecks ist neueren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops zufolge aber wesentlich kürzer als diejenige des langlebigen Großen Roten Flecks in der Jupiteratmosphäre.

Voyager 2 hat während des Vorbeiflugs am Neptun die höchsten Windgeschwindigkeiten gemessen, die jemals im Sonnensystem beobachtet wurden. Dies ist ungewöhnlich, da Neptun nur ein Zwanzigstel der Energie empfängt, die Jupiter pro Flächen- und Zeiteinheit von der Sonne erhält. Dennoch erreichen die Sturmsysteme der Neptunatmosphäre Geschwindigkeiten von 1600 Kilometern pro Stunde mit Spitzenwerten von 2060 Kilometern pro Stunde. Da kleinräumige Turbulenzen in der Neptunatmosphäre bislang nicht beobachtet wurden, spielen vermutlich Dunstschichten und Wolkendecken in großer Höhe bei der Umverteilung der eingestrahlten Sonnenenergie eine wichtige Rolle. Weiterhin treten im Unterschied zu Jupiter und Saturn in der Neptunatmosphäre so gut wie keine großräumigen Turbulenzen auf, welche atmosphärische Strömungen hoher Geschwindigkeit deutlich verlangsamen könnten.

Im Unterschied zu Uranus verfügt Neptun zudem vermutlich über eine weitere Energiequelle in seinem tiefen Innern, da der Planet nahezu 2,6-mal mehr Energie in Form von Wärme abstrahlt, als er von der Sonne erhält. Als mögliche Ursache kommt die frontale Kollision mit einem oder mehreren Protoplaneten in der Frühphase in Betracht, wodurch die Einschlagsenergie tief ins Innere des Planeten eingebracht wurde. Die erwartete intensive Durchmischung des Planeteninneren und das Fehlen einer thermisch isolierenden Grenzschicht zwischen dem fluiden Zentrum und der umgebenden Atmosphäre würden helfen, den gegenwärtig beobachteten hohen Wärmeverlust des Neptun zu erklären. Dies steht im Einklang mit der Existenz anomal heißer, kompakter Regionen („hot spots“), die in der Nähe des Südpols nachgewiesen wurden und, so wird vermutet, sich auf die Häufigkeit chemischer Reaktionen und die Bildung von Aerosolen in der Neptunatmosphäre auswirken.