Neptuns Zusammensetzung ist wahrscheinlich der des Uranus ganz ähnlich: verschiedene „Eisarten“ und Felsen mit ungefähr 15% Wasserstoff und etwas Helium. Wie Uranus, aber im Gegensatz zu Jupiter und Saturn, könnte er keine getrennten inneren Schichten haben, sondern statt dessen mehr oder weniger einheitlich in seiner Zusammensetzung sein. Aber es gibt sehr wahrscheinlich einen kleinen Kern (mit einer Masse, die ungefähr der der Erde entspricht) aus felsigem Material. Seine Atmosphäre besteht im wesentlichen aus Wasserstoff und Helium mit einem geringen Anteil Methan.

Neptuns blaue Färbung ist Ergebnis der Absorption roten Lichts durch das Methan in der Atmosphäre, es gibt aber noch eine (oder mehrere) weitere, noch nicht identifizierte Substanz, die den Wolken den kräftigeren blauen Farbton verleiht.

Als typischer Gasplanet hat Neptun kräftige Winde, die sich zu Streifen entlang der Breiten formen, sowie große Stürme oder Wirbelstürme. Neptuns Winde sind die schnellsten im Sonnensystem mit Geschwindigkeiten bis zu 2.000 km/h.

Neptun besitzt ebenfalls Ringe. Beobachtungen von der Erde aus zeigten lediglich feine Bögen an Stelle von vollständigen Ringen, aber die Bilder der Voyager 2 zeigten durchgehende Ringe mit hellen Klumpen. Einer der Ringe scheint eine seltsame verdrehte Struktur aufzuweisen (rechts).

Wie die Ringe von Uranus und Jupiter sind auch die des Neptun sehr dunkel, aber ihre Zusammensetzung ist unbekannt.

Neptuns Ringe wurden benannt: der äußerste heißt Adams (der aus drei auffälligen Bögen besteht, die man heute Freiheit, Gleichheit und Brüderlichkeit nennt), der nächste ist ein unbenannter Ring, koorbital mit Galatea, dann Le Verrier (dessen äußere Erweiterungen Lassell und Arago genannt werden), und schließlich der feine aber weite Galle-Ring.