Dopo la scoperta di Urano nel 1781, gli astronomi furono in grado di calcolare precisamente l'orbita di tale pianeta sulla base delle leggi del moto planetario e della gravità scoperte da Giovanni Keplero e Isaac Newton. Con la scoperta di Urano era infatti caduto il 'tabu' dell'intoccabilità del numero dei pianeti.. L'idea di origine aristotelica che il numero dei corpi vaganti, i 'pianeti' nel senso etimologico del termine, fosse sette era cosi radicata che nessuno aveva mai controllato i movimenti sul medio periodo di questo debole oggetto.

Si pensò dunque di verificare se, oltre l'orbita di Urano, esistessero altri corpi che orbitavano intorno al Sole. L'ipotesi sembrò probabile quando, nel 1821, Alexis Bouvard, paragonando l'orbita reale di Urano alle proiezioni basate sulle leggi di Newton, si accorse che le due orbite non combaciavano. Prese credito, tra gli astronomi, l'ipotesi che le anomalie osservate dipendessero dalle perturbazioni esercitate su Urano da un corpo incognito situato oltre la sua orbita. Partendo da considerazioni matematiche, già nel 1821 Friedrich Bessel avanzò, in una lettera a H. Olbers, la possibilità che esistesse un ulteriore planeta. Un suo giovane allievo, Fleming, cominciò ad affrontare con energia e competenza questo problema e lo avrebbe sicuramente risolto se una morte prematura non lo avesse colto nel 1840. 

Nettuno è stato raggiunto da una sola sonda, il Voyager 2, nell'agosto del 1989. La navicella passò a soli 4500 km dal Polo Nord e, grazie a una serie di dati presi con il radar di bordo, fu possibile calcolare esattamente il periodo di rotazione del pianeta, che è risultato di 16h 3m, 3 ore, meno di quanto stimato dagli astronomi.

I tecnici che gestirono la missione dovettero lottare contro la scarsa illuminazione, poiché Nettuno dista dal Sole trenta volte più della Terra. Le difficoltà furono brillantemente risolte e la sonda inviò splendide immagini di questo pianeta azzurro. La sonda Voyager individuò sei nuovi satelliti, che si aggiunsero ai due osservati in precedenza da Terra. Tutti i satelliti hanno un moto concorde al senso di rotazione, tranne Tritone, che mostra a Nettuno sempre la stessa faccia. 

Nettuno possiede un sistema di quattro anelli, due principali e due più deboli, e un disco di materiale diffuso che si estende fino alla parte più esterna dell'atmosfera; i quattro anelli contengono molta più materia di quelli di Giove. Le occultazioni stellari avevano suggerito agli osservatori a Terra l'esistenza di archi non chiusi in orbita attorno a Nettuno, ma la sonda Voyager 2 ha mostrato che in realtà si tratta di strati più densi all'interno di uno degli anelli principali.