Atmosféra je složena přibližně z 85 % molekulárním vodíkem a zbývající část připadá na helium. Pozorujeme v ní mraky v různých výškách, poháněných větry rychlostí větší než 1 000 km/h. Neptunovy větry jsou nejrychlejší ve Sluneční soustavě, dosahují rychlosti až 2000 km/h. Velká dynamika atmosféry je zřejmě podmíněna velkým množstvím tepla uvolňovaného z nitra planety.

Nejpozoruhodnějším útvarem je velká tmavá skvrna velká jako Země. Připomíná Jupiterovu velkou červenou skvrnu. Je to ohromný uragán, který víří rychlostí přes 600 km/h. A jak jinak, pozorování HST (Hubbleova vesmírného dalekohledu) v roce 1994 ukázala, že Velká tmavá skvrna zmizela! Buď se jednoduše rozptýlila, nebo je zamaskována jinými útvary Neptunovy atmosféry. Pár měsíců poté objevil HST novou temnou skvrnu na severní polokouli Neptuna. To znamená, že Neptunova atmosféra se mění rychle, možná díky malým změnám v teplotě mezi vrcholky a základnami mraků. Odborníci se domnívají, že v atmosféře probíhají nejrůznější chemické reakce uhlovodíků.

Vrchní vrstvy atmosféry jsou bohatě rozvrstveny. Nad základní neprůhlednou vrstvou oblačnosti se ve výšce asi 160 km nachází průhledná vrstva uhlovodíků, o 30 km níže průhledná vrstva acetylénu a etanu. Do výšek 70 - 80 km se dostává oblačnost ze základní vrstvy díky vzestupným turbulentním pohybům v neprůhledné vrstvě oblačnosti. Mezi 20 - 40 km se nachází nesouvislá a místy neprůhledná vrstva metanu. V základní vrstvě oblačnosti je snad obsažen v podobě drobných krystalků i sirovodík a čpavek. Pozorované atmosférické zákaly jsou tvořeny uhlovodíky. Ty mohou ve větších výškách kondenzovat a v podobě kapiček klesat do nižších vrstev, kde mohou vstupovat do řady chemických reakcí.

Dále od rovníků krouží velmi rychle malé světlé mraky, tvořené patrně krystaly zmrzlého metanu.