Trái ngược với bầu khí quyển mờ đặc và gần như đồng màu của Sao Thiên Vương, khí quyển của Sao Hải Vương có những vùng hoạt động mạnh và dễ nhận thấy. Năm 1989, tàu Voyager 2 khi bay qua Sao Hải Vương đã chụp được hình ảnh của Vết Tối Lớn trên bán cầu nam có kích thước tương đương với Vết Đỏ Lớn của Sao Mộc. Những vùng hoạt động thời tiết này được duy trì bởi những cơn gió với tốc độ lên tới 2.100 kilômét trên giờ, mạnh nhất trên khí quyển trong các hành tinh thuộc Hệ Mặt Trời. Do cách rất xa Mặt Trời nên lớp khí quyển ngoài cùng của Sao Hải Vương là một trong những nơi lạnh nhất trong Hệ Mặt Trời. Nhiệt độ của những đám mây trên cao khoảng 55 K (-218 °C) trong khi nhiệt độ tại lõi hành tinh xấp xỉ 5.400 K (5.000 °C). Sao Hải Vương có một hệ thống vành đai mờ và rời rạc (hay những cung), được phát hiện trong thập niên 1960 nhưng chỉ được xác nhận vào năm 1989 bởi Voyager 2.