После открытия Урана в 1781 году астрономы смогли точно высчитать орбиту планеты с помощью законов планетарного движения и силы тяготения, открытых Иоганном Кеплером и Исааком Ньютоном. После открытия Урана было снято табу с неколебимости количества планет. После его открытия стало ясно, что в предыдущие годы Уран наблюдали много раз, описывая его, как неяркую звезду. Аристотелевская идея, что число блуждающих тел (планет) в этимологическом смысле слова должно равняться семи (пять, включая Сатурн, плюс Солнце и Луна), настолько укоренилась, что никто никогда не следил за средним периодом движения этого неяркого объекта.

Итак, стали думать, что, кроме Урана, могут существовать и другие тела, находящиеся на орбите Солнца. Гипотеза появилась, видимо, когда в 1821 году Алексис Бувард высчитал реальную орбиту Урана по проекции, основываясь на законах Ньютона. Оказалось, что орбиты не совпадают.

Среди астрономов получила распространение гипотеза, что наблюдаемая аномалия связана с воздействием на Уран неизвестного тела, не находящегося на его орбите. Исходя из математических расчётов, уже в том же 1821 году Фридрих Бессель выдвинул в письме к Г. Ольберсу предположение, что существуют и более далёкие планеты. Их молодой коллега Флеминг энергично и компетентно подошёл к этой проблеме и, конечно, добился бы результата, если не преждевременная смерть в 1840 году.

Начинания Флеминга были подхвачены двумя другими астрономами, работавшими независимо друг от друга: Джоном Каучем Адамсом и Урбеном Леверье. Адамс приступил к этой работе сразу же после окончания Кембриджа в 1843 году; он исходил из предположения, что гипотетическая планета должна находится на расстоянии 38,4 а.е., в два раза дальше, чем Уран. Это значение было очень близко к подсчитанному на основании правила Тициуса - Боде (Эмпирическое постоянное соотношение, позволяющее предсказать расстоянии планет от Солнца). Решение Адамса было представлено Эйри в Гринвичскую обсерваторию, но его проигнорировали, считая, что проблема математически неразрешима.

Во Франции Леверье под руководством Ф. Араго начал работать над своей гипотезой в июне 1845 года и представил её на рассмотрение Парижской академии наук в следующем году. Отдавая себе отчёт, что французские коллеги не имеют ни малейшего желания искать эту гипотетическую планету, Леверье одновременно передал свои данные Эйри. Тогда Эйри наконец понял, что работа Адамса заслуживает внимания, он не сообщил ему, что занялся ею, и ничего не сказал о работе Леверье.

В Англии в Кембриджской обсерватории поиски начались в июле 1846 года, но Дж. Челлис решил проигнорировать данные, которые у него были, и провёл безрезультатный поиск в слишком широком направлении.

В августе 1846 года Леверье представил другой, более подробный, труд о положении планеты, её массе и орбитальных элементах. Его похвалили за математическую сноровку, но никто не стал проверять его предположений с помощью наблюдений. В конце концов Леверье обратился к Иоганну Галле, ассистенту Берлинской обсерватории. Галле получил письмо Леверье 23 сентября 1846 года. В ту же ночь вместе с одним своим студентом Генрихом Д'Аррестом он направил телескоп в указанном направлении, и уже через час они обнаружили восьмую планету неподалеку от места, указанного в расчётах.

Открытие было приписано Леверье, принимая во внимание, что немцы нашли Нептун по его данным. Когда англичане стал претендовать на авторство, воспротивилась Парижская академия наук, и посыпался град взаимных обвинений. В конце концов полемика утихла, и когда стало ясно, что Адамс тоже внёс свой вклад, он получил справедливое признание.

До Нептуна долетел всего один зонд - "Вояджер-2" в августе 1989 года. Он пролете на высоте всего 4500 км над северным полюсом, и благодаря данным, полученным с помощью бортового радара, стало возможно точно подсчитать период вращения планеты, который составляет 16 ч 3 мин, на 3 часа меньше, чем считали астрономы.

Техникам, которые руководили полётом, пришлось бороться с тусклым освещением, потому, что Нептун находится в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля. С этой трудностью блестяще справились, и зонд передал великолепные изображения этой голубой планеты. Зонд "Вояджер" обнаружил 6 новых спутников, которые добавились к тем двум, что раньше наблюдали с Земли. Все спутники вращаются в ту же сторону, что и Нептун, кроме Тритона, который всегда повёрнут к планете одной и той же стороной.