Ở cao độ lớn, khí quyển Sao Hải Vương chứa 80% hiđrô và 19% heli. Cũng có một lượng nhỏ phân tử mêtan. Dấu vết của khí mêtan cũng được phát hiện khi các nhà khoa học quan sát thấy vạch quang phổ hấp thụ điển hình của mêtan ở bước sóng trên 600 nm, trong miền bước sóng đỏ và hồng ngoại. Mêtan trong khí quyển hấp thụ ánh sáng đỏ làm cho Sao Hải Vương hiện lên có màu xanh giống như Sao Thiên Vương. Tuy nhiên, màu xanh da trời sáng của Sao Hải Vương khác hẳn so với màu xanh lơ lạnh của Sao Thiên Vương. Do mật độ mêtan trong khí quyển của hai hành tương tương tự nhau nên người ta chưa biết thành phần nào trong khí quyển là nguyên nhân làm cho hai hành tinh có màu sắc khác nhau.