Nosso conhecimento a respeito da estrutura interna de Netuno está baseado nas informações que temos a respeito de seu raio, da sua massa, do seu período de rotação, do seu campo magnético e de como gases como hidrogênio e metano se comportam quando submetidos a alta pressão.

O núcleo de Netuno deve ser composto de uma mistura de rochas derretidas, água, amônia líquida e metano, devendo ter um raio da ordem de 30 a 40 % do raio do planeta, e massa de 60 a 70 % da massa do planeta.

Um manto, ocupando quase dois terços do raio do planeta circunda o núcleo. Ele é rico em água, metano, amônia e outros elementos. Estes elementos estão submetidos a alta pressão e temperatura nas profundezas do planeta. Sua massa deve ser equivalente a 10 massas terrestre.

O envelope externo é composto por uma mistura de gases aquecidos, tais como, hidrogênio, hélio, vapôr d'água e metano, com uma massa equivalente a 1 a 2 massas da Terra. A cor azul de Netuno é provávelmente resultante da absorção da luz vermelha pelo metano existente na sua atmosfera.

Netuno é muito menos maciço que Júpiter ou Saturno e, assim sendo, sua pressão interna nunca é superior a 100.000 atmosferas terrestre, pressão essa muito baixa para que o hidrogênio molecular líquido se transforme em hidrogênio metálico e se torne condutor elétrico. O campo magnético de Netuno é estranhamente orientado e provávelmente gerado pelo movimento de material condutivo, provávelmente água, existente nas suas camadas intermediárias. O rápido espiralamento de moléculas quentes de água, amônia e metano, situadas abaixo de suas camadas de hidrogênio devem gerar seu campo magnético.

Na atmosfera de Netuno, como na de Júpiter, ocorrem grandes tempestades e furacões. Isso fica evidenciado na existência de várias manchas escuras, com diversas dimensões.

Quando a Voyager 2 passou por Netuno, em 1989, observou uma mancha muito grande, a maior de todas, denominada de Grande Mancha Escura, no hemisfério sul do planeta. Ela tinha o tamanho da Terra e era muito semelhente à Grande Mancha Vermelha de Júpiter. Na ocasião os ventos de Netuno assopravam essa mancha na direção oeste, a uma velocidade de 300 metros por segundo.

Observações efetuadas pelo HST, em 1994, mostraram que nessa ocasião a Grande Mancha Escura havia desaparecido, ou havia simplesmente se dissipado ou estava mascarada por outros detalhes da atmosfera. Voltando a observar Netuno alguns meses depois, o HST descobriu uma nova mancha escura, agora situada no hemisfério norte. Isto indica que a atmosfera de Netuno muda rápidamente, talvez devido a pequenas mudanças de temperatura entre o topo e a base das nuvens.