Недра Нептуна похожи на недра других газообразных планет, в частности Урана.

Как и Уран, Нептун состоит в основном из скальных пород и замерзших газов, и лишь на 15% из водорода с крошечной примесью гелия (в отличие от Юпитера и Сатурна, состоящих в основном из водорода). Вещество Нептуна скорее всего не имеет четкого расслоения, как у Юпитера и Сатурна, а распределено более-менее равномерно. Однако, внутри его имеется твердое ядро из скальных пород с массой, примерно равной массе Земли. Как и у Урана, над ядром (самым большим из всех ядер газообразных планет) находится слой молекулярных гелия и водорода, затем идут ещё два слоя, а потом плотные облака. Самый верхний слой состоит из кристаллов замёрзшего метана, а самый нижний - менее прозрачный, возможно, содержит замёрзший аммоний или сероводород.

Средняя плотность Нептуна самая большая среди всех газообразных гигантов - 1,66 г/см³. Плотность планеты можно сравнить с плотностью Юпитера, но гораздо меньшая масса не дала образоваться внутри планеты металлическому водороду.

Подобно Юпитеру и Сатурну, Нептун имеет внутренний источник тепла - он излучает более чем в два с половиной раза больше энергии, нежели получает от Солнца.

На момент посещения Нептуна "Вояджером-2", наиболее заметной "достопримечательностью" Нептуна было Большое Темное Пятно в южном полушарии. Оно напоминает Большое Красное Пятно Юпитера, но вдвое меньше (величиной с Землю), скорость ветра в нем примерно 300 м/с. "Вояджер-2" обнаружил меньшее темное пятно в северном полушарии, а также небольшое белое облако неправильной формы, обегающее Нептун каждые 16 часов и получившее название "Скутер". Его истинная природа остается загадкой.

При наблюдении Нептуна космическим телескопом "Хаббл" в 1994г. обнаружилось, что Темное Пятно исчезло! Либо оно "рассосалось", либо его закрыли облака более высоких слоев атмосферы. Через несколько месяцев "Хаббл" обнаружил темное пятно в северном полушарии. Это говорит о том, что атмосфера Нептуна быстро меняется, возможно, из-за различий в температуре верхних и нижних облачных слоев.

Нептун также обладает магнитным полем, вероятно, обусловленным мантией. Магнитное поле Нептуна, как и Урана, необычно по форме и предположительно создается движением проводящего вещества (возможно, воды) в его промежуточных слоях. Его интенсивность составляет половину интенсивности магнитного поля Урана. Магнитная ось и ось вращения образуют угол 47°.