压力在5巴以上，云可能包含氨、硫化氨、硫化氢和水。更深处的水冰云可以在压力大约为50巴处被发现，该处的温度达到0℃。在其下面，可能会发现氨和硫化氢的云。海王星高层的云会曾经被观察到在低层云的顶部形成阴影，高层的云也会在相同的纬度上环绕着行星运转。这些环带的宽度大约在50至150千米，并且在低层云顶之上50至110千米。海王星的光谱显示平流层的低层是朦胧的，这是因为紫外线造成甲烷光解的产物，例如乙烷和乙炔，凝结。平流层也是微量的一氧化硫和氰化氢的来源海王星的平流层因为碳氢化合物的浓度较高，也比天王星的温暖。
由于一些尚不清楚的原因，这颗行星的热成层有着大约750K的异常高温。要从太阳来的紫外线辐射获得热量，对这颗行星来说与太阳的距离是太遥远了。一个假设的加热机制是行星的磁场与离子的交互作用；另一个假设是来自内部的重力波在大气层中的消耗。热成层包含可以察觉到的二氧化碳和水，其来源可能来自外部，例如流星体和尘埃。
海王星和天王星之间的一个区别是典型气象活动的水平，海王星的天气特点是极端活跃的。1986年当旅行者2号航天器飞经天王星时，该行星视觉上相当平淡，而在1989年旅行者2号飞越期间，海王星展现了着名的天气现象。海王星的大气有太阳系中的最高风速，据推测源于其内部热流的推动，其风速达到超音速速度直至大约2100千米/小时。在赤道带区域，更加典型的风速能达到大约1200千米/小时。根据蒲福风级即世界气象组织所建议的分级地球风速最大为12级风，约118千米/小时。通过跟踪持续云的运动测得，海王星风速在向东方向的风速为20米/秒，向西风速为325米/秒，盛行风的速度从赤道的400米/秒到两极的250米/秒不等。海王星上的大多数风都朝着与地球自转相反的方向移动。风的一般模式显示，在高纬度地区是顺行旋转，而在低纬度地区则是逆行旋转。流动方向的差异被认为是一种“趋肤效应”，而不是由任何更深的大气过程造成的。在纬度70°S处，高速射流的速度为300米/秒。
海王星赤道的甲烷、乙烷和乙炔的丰度是两极的10-100倍。这被解释为赤道上升流和两极附近下沉的证据，因为没有经向环流，光化学无法解释这种分布。
1989年，美国航空航天局的旅行者2号航天器发现了大黑斑。在海王星表面的南纬22度，有的类似木星大红斑及土星大白斑的卵状气旋，以大约16天的周期一反时钟方向旋转，称为“大黑斑”。由于大黑斑每18.3小时左右绕行海王星一圈，比海王星的自转周期还要长，大黑斑附近的纬度吹着速度达300米每秒的强烈西风。旅行者2号还在南半球发现一个较小的黑斑极一以大约16小时环绕行星一周的速度飞驰的不规则的小团白色烟，得知是“The Scooter”。
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