Tầng nhiệt có nhiệt độ cao bất thường lên tới 750 K do một nguyên nhân chưa rõ. Sao Hải Vương nằm quá xa Mặt Trời để bức xạ tử ngoại từ nó có thể làm nóng tầng này. Một giả thuyết cho cơ chế làm nóng là sự tương tác của các ion trong khí quyển với từ trường của hành tinh. Giả thuyết khác cho rằng sóng trọng lực (gravity wave, chú ý khác với sóng hấp dẫn-gravitational wave) xuất phát từ bên trong hành tinh tiêu tán nhiệt ra khí quyển của nó. Tầng nhiệt chứa lượng nhỏ cacbon điôxít và nước, có nguồn gốc từ bên ngoài như bụi vũ trụ hoặc mảnh vỡ của các thiên thạch.