科学家对这颗遥远的星球很感兴趣，一方面是过去对它了解甚少，另一方面是相信，研究海王星有利于探讨太阳系各行星的起源。
自从1781年威廉·赫歇尔发现天王星以后，科学家们便察觉天王星的运转方式有点儿怪异，而且它的位置总是与牛顿万有引力计算的结果不一样。因此，科学家大胆推测，天王星之外必定还有一颗尚未露面的行星用它的吸引力拖住了天王星。100多年前，还在英国剑桥大学就读的天文学家亚当斯，对这个疑问进行了研究，他认定天王星以外还有一颗还没有发现的大行星，搞乱了天王星的运转模式，他花了两年时间，终于在1845年9月计算出它的轨道。
亚当斯拿着计算结果，请求与格林尼治天文台台长艾里进行讨论，可是，艾里对他的计算结果表示怀疑，而把他的资料丢进抽屉里。
与此同时，一位年轻的法国科学家勒维列也独自默默地钻研这个难题，进行计算和研究。
勒维列也花了两年多时间，写出一份研究报告，分别寄给欧洲各国著名的天文学家，还写信给欧洲一些主要的天文台，请求他们仔细在宝瓶星座中寻找这颗隐藏的行星。
1846年9月23日，德国柏林天文台的台长加勒接到勒维列信件的第二天，立即把望远镜指向宝瓶座星空，果然在勒维列预言的位置附近，找到了一颗星团上没有记载的星星，它就是海王星。
当时，格林尼治天文台台长艾里也收到一份研究报告，看完后大吃一惊，原来，勒维列的计算结果竟然与亚当斯的一模一样。但他错过了发现的机会。
对于这项天文学的重大发现，当时有人想把这颗新星以“勒维列”来命名，以表彰他的功绩，可是，勒维列非常谦虚，建议还是沿用过去以希腊、罗马神话人物为新星命名的习惯。最后，天文学家根据古罗马神话中有个统治水晶宫的海王奈普顿来命名，就叫它海王星。
海王星的发现，不但印证了牛顿的万有引力定律，并且使哥白尼的太阳系学说从假说上升为真理。
科学家计算出，海王星与太阳的平均距离约44.96亿千米，是地球到太阳距离的30倍。海王星接收到太阳的光和热，只有地球的1％，表面覆盖着绵延几千千米厚的冰层，平均温度为－220℃，外面则围绕着浓密的大气，成分主要是氢、氦和甲烷，大气压力为地球的100倍。
海王星的直径49500千米，是地球的3.88倍，体积有57个地球那么大，不过质量只有地球的17倍多，平均密度相当小。
海王星以每秒5.43千米的速度绕着太阳公转，公转一周等于地球上的164.8年，自转一周则是24小时左右。
尽管海王星是一个寒冷而荒凉的星球，不过，科学家推测它的内部有着热源。科学家对这颗遥远的星球很感兴趣，一方面是过去对它了解甚少，另一方面是相信研究海王星有利于探讨太阳系各行星的起源。
1989年8月24日，已经在太空遨游了12年、飞行里程达72亿千米的“旅行者2号”飞到距海王星4827千米的上空，不断地拍摄照片，4个多小时后它给地球上传回上万张的彩色照片，使得科学家对海王星有了更进一步的认识。
根据“旅行者2号”发回的照片显示，海王星有5条光环，其中两条比较明亮。这是太阳系中继土星、木星、天王星以后，发现的第4颗有着光环的行星。
“旅行者2号”在海王星的南极附近发现了两条巨大的黑色云带，宽约4345千米，还发现一块大黑斑，几乎有地球那么大。
海王星也有磁场和美丽的极光，此外，它的大气中含有冰冻的碳氢化合物气体，大气层动荡不定，有巨大的气旋，气旋过后是一连串的风暴，时速达640千米。
“旅行者2号”还发现了海王星的上空有云彩与烟雾，科学家推测这是甲烷受到太阳光照射而产生的。
天文学家分别于1846年和1949年发现海王星的两个卫星，“旅行者2号”探测之后又新发现了六颗卫星，也就是说，目前为止，海王星的周围有8个卫星在绕着它转圈。英国天文学家约翰·梅森推测说，海王星可能有14至16颗卫星。这个假设能否证实，有待太空探测器进一步勘查。
“旅行者2号”特地探测了海王星最大的卫星——海卫一，它比天文学家原先想象的还要亮、冷、小，表面有几座曾喷出过冷熔岩的“冰火山”，有的还是活火山，会喷出高达32千米的冰氮微粒。在太阳系发现冰火山，这还是第一次。
海卫一的周围有个大气层，主要成分是氮。它不时在下大雪，星球上覆盖着冰雪，表面温度低到－240℃，是太阳系中已知的最冷的天体。