1989年8月，在旅行者2号造访海王星的五个月之前，飞船装备的照相机拍摄到了海王星大气上漂浮的一块黑色团块，它的面积比亚洲还大。海王星距离地球实在过于遥远，人类在地球上从未观测到它的表面大气的任何结构特征。最后，科学家确认了这块被称作大黑斑的团块是与木星的大红斑一样的大气漩涡结构。更不可思议的是海王星的大黑斑与木星的大红斑面积相当，它们都位于各自行星赤道以南的相同的纬度上。正如木星的大红斑是木星奶白色大气云团的暗影一样，海王星的大黑斑也是富含甲烷的蓝色大气形成的暗影。显然，如果气态巨行星上活动的大气要形成巨大的斑块，那么斑块的大小和位置都会是自然形成的。
海王星是远日行星之一，按照同太阳的平均距离由近及远排列，是环绕太阳运行的第八颗行星，是围绕太阳公转的第四大天体（直径上）。海王星在直径和体积上小于天王星，但质量却大于天王星，大约是地球的17倍，而它的姊妹行星天王星因密度较低，质量大约是地球的14倍。
与木星的大红斑不一样的是，海王星的大黑斑好像只是短暂存在的事物。在旅行者号造访海王星六年后，因为哈勃空间望远镜再次观测海王星时却找不到这个巨大的暗影了。这肯定不是哈勃望远镜的分辨率不足造成的，实际上哈勃望远镜能够探测到海王星上比之更小的东西。但是，大黑斑确实不见了，这也提醒我们还有太多有关巨行星的谜题还有待解决。
为什么海王星是蓝色的？很简单，因为海王星上层大气中的甲烷云团吸收了红光反射了蓝光。太阳光中虽然既有红色也有蓝色，但观测海王星时只能看到反射出来的蓝光。天王星的碧绿色也源自甲烷雾霭，只是混合了稍稍不同的其他成分罢了。
甲烷（又称天然气）零下173℃时就会液化，温度更低时则转为固态。海王星的上层大气温度恰好与甲烷的液化温度相近，所以海王星被裹在一层甲烷雾霭中。蓝色雾霭上面偶尔还会点缀着白色甲烷晶体形成的云朵。
海王星上层大气上方又被五条环系围绕：其中三条极其窄小，而另外两条则十分稀散，旅行者2号在距离海王星仅有5000千米时才勉强发现到它们的存在。此前科学家一直猜测海王星是有环系的，因为在地球上观测它时，被海王星掩食的恒星会发生闪烁，而且其他气态巨行星又都被发现拥有环系。显然，气态巨行星拥有环系是太阳系此类行星的特征。
在海王星可见的表面以下，是深达几千千米的氢和氦所构成的大气，它最终与充斥在行星内核周围的氢氦水冰混合物融合在了一起。海王星的核心部分每自转一周会花16小时，但它外部大气的自转速度会缓慢得多，而且不同纬度处的自转速度亦各不相同，这就是所谓的较差自转。较差自转会产生巨大的摩擦，为行星内部带来额外的热能。这股热能渗透到海王星表面就形成了湍流，正像旅行者号探测器看到的大黑斑和其他几个较小的漩涡和斑块那样，这就是形成天气变化的原因。
旅行者2号捕捉到的海王星蓝色大气海洋上空最细致的束状卷云。
翻滚的海王星大气与毫无生气的天王星表面之间的明显差异，可以部分地归因于天王星拥有气溶胶似的雾霭。但是，主要的原因还是热量问题：在海王星表面，来自行星内部的热能超过接受自太阳的辐射，而天王星的情况恰恰相反。相较而言，木星向外辐射的内部能量达到了海王星的50倍，接受到的太阳能量达到了海王星的20倍，因此木星的云团活动更为猛烈。虽然海王星产生的热量很少，但除此之外，也没有其他答案能够帮助我解释那些在蓝色的海王星上发现的气团活动了。