Az emberiség történetében elsőként az égi jelenségeket kémlelő ókori csillagászok jegyezték fel megfigyeléseiket. Ők már megkülönböztették egymástól a mozdulatlannak látszó csillagokat és a helyüket változtató bolygókat. Geocentrikus világképükben a Föld volt a világmindenség központja, az öt ismert bolygó pedig a Merkúr, a Vénusz, a Mars, a Jupiter és a Szaturnusz. A heliocentrikus világkép elterjedésével hatodikként a Föld is bekerült a bolygók sorába. A hetediket, a német-angol William Herschel által 1781-ben felfedezett Uránuszt szabad szemmel korábban többször is észlelték, de csillagnak vélték. (A csillagok fúziós energiát termelő, saját fénnyel rendelkező égitestek, míg a bolygók központi csillaguk fényét verik vissza, saját kibocsátott sugárzásuk elenyésző.)
A Neptunusz szabad szemmel nem látható. 1612-ben már Galilei is megfigyelte, de állócsillagnak hitte. Szerepelt Joseph Lalande csillagtérképén is, aki 1795-ben kétszer is más-más helyen észlelte, de első mérését hibásnak tartotta. A frissen felfedezett Uránusz mozgásában tapasztalt szabálytalanságokból, amelyek 1821-22-ben (ma már tudjuk, hogy az Uránusz és Neptunusz együttállásakor) felerősödtek, 1834-ben következtetett Thomas J. Hussey angol amatőr csillagász egy lehetséges új bolygó zavaró hatására. A királyi csillagda vezetője, George Biddel Airy nem foglalkozott ezzel a feltevéssel, s amikor 1845-ben a szintén angol John Couch Adams a mozgási rendellenességekből kiszámította az ismeretlen bolygó pozícióit, Airy nem végeztette el a számításokat igazoló megfigyeléseket. (Nagy-Britanniában ezért sokan őt okolják, amiért nem angolok fedezték fel a Neptunuszt.)
A francia Urbain Le Verrier - Adamstól teljesen függetlenül - az Uránusz számított és megfigyelt mozgásának eltéréseiből szintén kiszámolta a zavaró égitest adatait. Dolgozatát, amelyben megadta a bolygó nagyságát és előre látható pozícióját is, 1846. augusztus 31-én nyújtotta be a francia Akadémiának. Mivel a párizsi obszervatórium is halogatta a megfigyeléseket, a francia csillagász levélben elküldte számításait Berlinbe. A német Johann Gottfried Galle még a levél kézhezvételének napján, illetve éjszakáján, 1846. szeptember 23-án Louis d'Arrest nevű diákjával a jelzett helytől 1 fok távolságra megtalálta a feltételezett égitestet, amely másnapra elmozdult helyéről, s így igazolódott, hogy nem csillag, hanem egy új bolygó. (A felfedezés elsőbbségéért folytatott francia-angol tudományos vita végül konszenzussal zárult, Adams és Le Verrier közösen osztoznak a dicsőségben.)
A Naprendszer tömegében harmadik, átmérőben negyedik és első elméleti úton megtalált bolygóját - ahogy Francois Arago francia matematikus találóan megjegyezte - Le Verrier "a tolla hegyével" fedezte fel. A matematikai alapú felfedezés egyúttal szenzációsan igazolta a Newton-féle gravitációs törvényt is. Az új égitestet Le Verrier javaslatára nevezték el a római tengeristenről, Neptunusról, így - a Földet leszámítva - Naprendszerünk valamennyi bolygója a görög-római mitológia isteneinek nevét viseli. A nyolc bolygó közül a belső Naprendszerben négy kőzetbolygó (Merkúr, Vénusz, Föld és Mars), a külsőben négy gáz- vagy óriásbolygó (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz és Neptunusz) kering.
Az Uránusz mozgásának vizsgálata során fedezték fel 1930-ban a Plútót is, amelyet 2006-ig a kilencedik bolygóként tartottak számon. Ekkor a Nemzetközi Csillagászati Unió felülvizsgálta a bolygó fogalmát, s mivel az új feltételeknek - olyan égitest, amely a Nap körül kering, elegendő tömege van ahhoz, hogy hidrosztatikai egyensúlyban legyen, csaknem gömb alakú, pályája környezetében domináns, azaz megtisztítja más égitestektől - a Plútó nem tett eleget, "lefokozták". Ma már a Ceres, az Eris, a Haumea és a Makemake társaságában a frissen megalkotott törpebolygó kategóriába tartozik, és ott sem a legnagyobb, méretben valamivel felülmúlja az Eris.
A háromágú szigonnyal jelzett Neptunusz a Naprendszer legkülső bolygója. Naptól mért átlagos keringési távolsága 4,5 milliárd km, 30-szor távolabbi Földünkénél, átmérője 49,5 ezer km, a Föld majd négyszerese. A Napot 165 év alatt kerüli meg, felfedezése óta csak egyszer kerülte meg csillagrendszerünk középpontját. Forgástengelye a merőlegestől 29,6 fokkal tér el, egy fordulatot 16 óra 5 perc alatt tesz meg. Légkörének kékes színét a metán okozza, de hidrogén, hélium, etilén is van benne, magjában jég és kőzetek találhatók. Tömege 17,1-szer, térfogata 57-szer nagyobb a Földénél. Sűrűsége (1,76 g/cm3) nagyobb a többi gázbolygóénál, felszíni hőmérséklete mínusz 220 C fok körüli. Némi belső energiája is van, mert több hőt sugároz ki, mint amennyit a Naptól kap. Légköre igen gyorsan változik, a Voyager-2 űrszonda 1989-es látogatása idején észlelt Nagy Sötét Foltja, amelyben a Naprendszer legsebesebb, 2200 km/órával száguldó szelei fújnak, 1994-re eltűnt. A Voyager-2 fedezte fel a Neptunusz halvány gyűrűit és mágneses terét is.
A Neptunusz 14 ismert holdja közül a legnagyobb és legelsőként felfedezett a Triton (1846), a második az 1949-ben észlelt Nereida. A Voyager-2 által talált hat holdja mellé 2002-2003-ban földi távcsövekkel öt újabbat találtak, a legújabbat 2013-ban a Hubble űrtávcső felvételei alapján regisztrálták.
