Nettuno è molto simile ad Urano per aspetto, dimensioni, massa e composizione chimica; inoltre fa parte della famiglia dei pianeti gassosi. La temperatura media alla sommità dell’atmosfera è di circa –215 °C, superiore di circa 10 °C a quella prevista, per cui è stata fatta l’ipotesi di una sorgente di calore interno. La struttura di Nettuno ricorda quella di Urano. Nelle regioni più profonde si trovano concentrazioni crescenti  di metano, ammoniaca ed acqua. Gradualmente questa regione più calda ed oscura condensa in un mantello liquido surriscaldato (ricco di acqua, ammoniaca, metano e altre sostanze). Com’è solito nelle scienze planetarie, questa mistura è chiamata”ghiacciata”, sebbene in realtà sia un fluido caldo e molto denso; questo fluido, che possiede un’elevata conducibilità elettrica, è talvolta chiamato “oceano di ammoniaca ed acqua”. Alla profondità di 7000 km il metano si decompone in cristalli di diamante e precipita verso il centro. Il nucleo planetario di Nettuno è composto da ferro, nichel e silicati. La pressione del nucleo è milioni di volte superiore a quella della superficie terrestre. La temperatura interna invece raggiunge i 5400 K circa. Si ritiene che le maggiori variazioni climatiche del pianeta, comparate con quelle di Urano, siano dovute in parte al suo calore interno più elevato. Sebbene Nettuno sia distante dal Sole una volta e mezzo più di Urano e riceva quindi soltanto il 40% della quantità di luce, la superficie dei due pianeti è grosso modo uguale. In profondità nello strato di gas, la temperatura sale costantemente, tuttavia  la sorgente di questo riscaldamento è ancora del tutto sconosciuta. Nettuno è il pianeta del Sistema Solare più lontano dal Sole nonostante ciò, la sorgente interna di energia è sufficiente a causare i venti planetari più veloci visti in tutto il Sistema Solare. Finora sono state avanzate diverse possibili spiegazioni. La più probabile, è quella di una fonte di calore radiogenico proveniente dal nucleo del pianeta. L’atmosfera di Nettuno e suddivisa principalmente in due grandi regioni: la bassa troposfera, dove la temperatura decresce con l’altitudine, e la stratosfera, dove la temperatura aumenta con l’altitudine, il confine tra le due è segnato dalla tropopausa (qui avvengono i fenomeni metereologici).