Sao Hải Vương có cấu tạo tương tự như Sao Thiên Vương, nhưng lại khác biệt với những hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc và Sao Thổ. Khí quyển của sao Hải Vương chứa thành phần cơ bản là hiđrô và heli, cùng một số ít các hiđrôcacbon và có lẽ cả nitơ, tương tự như của Sao Mộc hay Sao Thổ. Tuy nhiên khí quyển của nó chứa tỷ lệ lớn hơn các phân tử "băng" như nước, amoniac, và mêtan. Do đó các nhà thiên văn thỉnh thoảng phân loại Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương thành các hành tinh băng đá khổng lồ để nhấn mạnh sự khác biệt này. Bên trong Sao Hải Vương chứa chủ yếu băng và đá, giống như Sao Thiên Vương. Lõi hành tinh có thể có bề mặt tuy rắn nhưng nhiệt độ của nó có thể cao tới hàng nghìn độ và áp suất rất lớn. Khí mêtan trong tầng ngoài khí quyển là nguyên nhân Sao Hải Vương hiện lên với màu xanh lam.