海王星内部结构和天王星相似。行星核是一个质量大概不超过一个地球质量的由岩石和冰构成的混合体。

海王星地幔总质量相当于10到15个地球质量，富含水，氨，甲烷和其它成分。作为行星学惯例，这种混合物被叫作冰，虽然其实是高度压缩的过热流体。

这种高电导的流体通常也被叫作水-氨海洋。大气层包括大约从顶端向中心的10%到20%，高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷，氨和水的含量随高度降低而增加。

更内部大气底端温度更高，密度更大，进而逐渐和行星地幔的过热液体混为一体。

海王星内核的压力是地球表面大气压的数百万倍通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。

海王星上面有的类似木星大红斑及土星大白斑的卵状气旋，以大约16天的周期一反时钟方向旋转，称为“大黑斑”。由于大黑斑每18.3小时左右绕行海王星一圈，比海王星的自转周期还要长，大黑斑附近的纬度吹着速度达300米每秒的强烈西风。

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大黑斑或许是一团从大气层低处上升的羽状物，但它真正的本质还是一个谜。然而在1994年11月2日，哈勃望远镜对海王星的观察发现大黑斑竟然消失了。