因為軌道距離太陽很遠,海王星從太陽得到的熱量很少,所以海王星大氣層頂端溫度只有-218 °C (55 K)。由大氣層頂端向內溫度穩步上升。和天王星類似,星球內部熱量的來源仍然是未知的,而結果卻是顯著的:作為太陽系最外部的行星,海王星內部能量卻大到維持了太陽系所有行星系統中已知的最高速風暴。對其內部熱源有幾種解釋,包括行星內核的放射熱源,行星生成時吸積盤塌縮能量的散熱,還有重力波對平流圈界面的擾動。
海王星在類木行星中的一個獨有特點就是高層雲彩在其下半透明的雲基區域投下陰影。雖然海王星的大氣遠比天王星的活躍,它們都是由相同的氣體和冰組成。天王星和海王星都不是木星和土星那種嚴格意義上的類木行星,而屬於另一類的遠日行星,即它們有一個較大的固體核而且還含有冰作為其組成成份。海王星表面溫度非常底,1989年測到的頂端雲層的溫度低至-224 °C (49 K)。