在“旅行者2号”造访海王星期间，行星上最明显的特征就属位于南半球的大黑斑。黑斑的大小约为木星上大红斑的一半（直径的大小与地球相似），海王星上的疾风以300米/秒的速度把大黑斑向西吹动。“旅行者2号”还在南半球发现一个较小的黑斑，它是以大约16小时环绕行星一周的速度飞驶的不规则的小团白色烟雾，或许是一团从大气层低处上升的羽状物。确定这一结论尚为时过早，海王星环绕太阳一周大约165年，因此它的每个季节会持续几十年。如果我们真实地看到季节变化，暗示着该行星在接下来的20年里会持续变亮。同时，海王星还是太阳系最寒冷的行星，其表面经常有超大风暴，风速达到1500千米/小时。
由天王星的怪异而发现的新行星
天王星被发现后，人们对天王星绕太阳运行的轨道总有点儿困惑不解。其他行星都循规蹈矩，在自己的轨道上从不越雷池半步，而天王星的实际位置常与人们计算的位置不一致。经过仔细核对观测记录，反复计算校验，一切都无懈可击，这使有些人对牛顿的万有引力定律产生了怀疑，是否在这儿出现了例外？不过，更多的天文学家却在推测，可能在天王星外面还有一个前所未知的“兄弟”在“引诱”它。就像你手中拿着罗盘，而指针突然指向不该指的方向，你就应该想到，在哪儿可能有一块磁铁。你还可以顺藤摸瓜，把这块影响它的磁铁找出来。如果天王星确实受未知行星的吸引，为何不从天王星偏离方向和偏离的大小来找出这颗更远的行星呢？可是事情太复杂了，涉及的未知因素实在太多，谁也不知道用什么方法去实现。所以在很长一段时间内，找寻新行星一直只是说说而已。
人们对海王星所有的信息都来自于宇宙飞船旅行者2号于1989年8月25日对海王星的短暂会面。海王星的组成成分与天王星的很相似：各种各样的“冰”和含有15％的氢和少量氦的岩石。海王星的蓝色也是大气中甲烷吸收了日光中的红光造成的。作为典型的气体行星，海王星上呼啸着按带状分布的大风暴或旋风，海王星上的风暴是太阳系中最快的，时速达到2000米/小时。和土星、木星一样，海王星内部有热源，它辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。
用笔算出了海王星
当时在法国一所技校当天文助教的勒威耶是一位初生牛犊不怕虎的年轻人，由于发表了几篇有关行星轨道变化的论文而受到当时巴黎天文台台长阿拉果的赏识，阿拉果建议勒威耶来攻克这个难题。勒威耶便夜以继日地开始了工作。一年后，勒威耶根据万有引力定律推算出天王星以外一定还有一颗行星，正是它的引力使天王星的轨道“反常”；并计算出了海王星的运行轨道。由于当时巴黎天文台没有详细的星图，勒威耶写信给德国同行，请求柏林天文台将“望远镜指向黄道上黄经326度的宝瓶座，您将在此点周围约1度的区域内发现一颗亮度相当于9等的新行星”。勒威耶的信在路上走了5天，9月23日到达柏林天文台。当天夜晚，柏林天文台的伽勒与助手迫不及待地打开了观测台的圆顶。不到半小时，果然在距勒威耶所说的位置不远处找到一颗星图上没有的小星。而且，目镜放大倍数增大后，即呈现为小小的圆面。9月24日，伽勒又观测了一夜，发现小星向西移动了点儿。9月25日，伽勒再也按捺不住内心的喜悦，立即回信向勒威耶表示祝贺：“亲爱的勒威耶先生，您给我们指出位置上的行星是真实存在的。”
勒威耶、伽勒发现新行星的消息很快轰动了世界。因为这是从方程中“解”出的天体，其科学意义无与伦比。它使太阳系学说、万有引力定律成为真正的科学理论，也是科学史上最让人津津乐道的佳话之一。
其实算出海王星位置的还有一人：剑桥大学数学系优秀毕业生——26岁的亚当斯（1819—1892年）。亚当斯1843年开始计算新行星的工作，用了整整两年时间，终于在1845年10月21日完成最后的计算，得到了满意的结果。亚当斯兴高采烈地带着自己的论文求见当时的英国皇家天文学会会长艾里，遗憾的是，艾里对此事毫无兴趣，他认为万有引力定律需要修正，不相信有新行星存在，何况求见的是一个毛头小伙子。所以艾里没有接见亚当斯，对亚当斯留下的论文也只是浏览了一下。勒威耶的消息传来，艾里才有所醒悟，赶紧翻出亚当斯的报告，只见上面明白无误地写着：“新行星将出现在宝瓶座内，其亮度相当于9等星……”而且亚当斯所计算出来的未知行星的轨道，与勒威耶计算的轨道都与实际运行轨道相差无几。所以，现在常把勒威耶、亚当斯、伽勒三人并列为海王星的发现者。
不过，后来根据人们的观察显示亚当斯和勒威耶计算出的轨道与海王星真实的轨道偏差相当大。如果对海王星的搜寻早几年或晚几年进行的话，人们将无法在他们预测的位置或其附近找到它。
海王星已知有13颗卫星，最大的崔顿仍有活跃的地质活动，有着喷发液态氮的间歇泉，它也是太阳系内唯一逆行的大卫星。离海王星较近的是海卫一，体积比月球还大，上面可能存在大气。海卫二的体积要小得多，直径约400千米，距海王星556万千米。有趣的是，这两颗卫星一个顺行，一个逆行，以完全相反的方向绕海王星旋转。
太阳系其他三兄弟——矮行星
2006年8月24日，在捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学大会中确认了矮行星的称谓与定义。
天体主要成员
人们把三颗已知的天体：冥王星、原为1号小行星的谷神星与柯伊伯带天体阋神星划入矮行星之列。与行星定义的不同处只在矮行星未能清除在轨道上相邻的小天体，因而使冥王星从行星改列为矮行星。
行星是太阳系小天体中最主要的成员，主要由岩石与不易挥发的物质组成。主要的小行星带位于火星和木星轨道之间，距离太阳2.3～3.3天文单位，它们被认为是在太阳系形成的过程中，受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。小行星的尺度从大至数百千米、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外，所有的小行星都被归类为太阳系小天体，但是有几颗小行星，如灶神星、健神星，如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态，可能会被重分类为矮行星。
冥王星
在十二个大行星和矮行星中，冥王星是离太阳最远的，约为59亿千米，比地球离太阳远40倍，跑得最快的光线也要花5个小时才能跑完这段路程。冥王星直径为3600千米，绕太阳一周需地球上的248.5年。冥王星有内核，更像地球，而不像和它相邻的那些气体巨星。
从冥王星上看太阳，太阳只是一个耀眼的光点，它从太阳所接受到的光和热，只有地球从太阳得到的几万分之一。因此，冥王星上是一个十分阴冷黑暗的世界。估计它的向阳一面的温度在摄氏零下220度左右，背阴一面的温度在摄氏零下250度以下。在这样低的温度下，绝大多数物质都已变成固态和液态，只有氢、氦、氖还可能是气态。
谷神星
谷神星是太阳系中最小的，也是唯一一颗位于小行星带中的矮行星。由意大利人皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。谷神星的直径约950千米，是小行星带中已知最大最重的天体，约占小行星带总质量的三分之一。近期的观测表明谷神星接近球体，并不像更低重力的天体具有不规则的形状。谷神星表面可能也是由水冰和各种水合矿物组成，如碳酸盐和黏土等。在外壳下，甚至可能存在一个液态水的海洋，这使其成为寻找外星生命的潜在目标之一。谷神星也可能拥有包含水汽的稀薄大气。
谷神星的直径接近1000千米，因此自身的引力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时，被认为是一颗行星。在1850年因为有更多的小天体被发现才重新分类为小行星；在2006年，又再度重分类为矮行星。
阋神星
跟冥王星一样，阋神星也有一颗卫星，在国际天文联合会议上该卫星被正式命名为戴丝诺米娅。冥王星和阋神星都是外海王星天体，其轨道为海王星外的柯伊伯带。阋神星是在2003年被发现的，其主要成分是冰和甲烷。阋神星的直径比冥王星至少大15%，估计有2400千米，是已知的矮行星中最大的。阋神星有一颗卫星——阋卫一，轨道也像冥王星一样有着很大的离心率，近日点的距离大约是冥王星与太阳的平均距离，对黄道面的倾斜角度也很大。
有趣的命名
根据小行星的命名常规，此星体的临时命名2003-UB313。发现者有权决定它的名字，只要获国际天文联盟认可。在发现者的网站中，此小行星使用了“Lila”这名字（取名自美国加州理工学院天文学家布朗的女儿Lilah）。该发现后来被指这是“一个感情用事的父亲在大清早对网站的命名”。
当时观测阋神星的时候，分布在全球的26个望远镜被要求注意这个事件，但是只有在智利的三个望远镜于2010年11月设法完成了观测。阋神星位于遥远的柯伊伯带，在运行557年后超越了海王星的轨道。虽然这是来自距太阳大约45亿英里的地方，但它仍然是一个非常明亮的行星，几乎反射了全部的光线。科学家们认为：阋神星的光就像一层薄薄的霜裹在上面，比刚下的雪落在地球上还要亮。
由于重量不同，各个星体所面临的命运也不相同。比如，当一颗比太阳轻8倍左右的星体中心核收缩时，它周围的气体被吹散，只留下碳和氧构成的、坚硬的核。这就是“白矮星”。白矮星的直径为数万千米，虽然只是太阳的百分之一（和地球相近），但由于质量和太阳差不多，密度竟可达到每立方厘米（一块方糖大小）一吨左右。被吹飞的气体吸收了白矮星所发出的光，形成“行星状星云”，看起来十分美丽。由于观测方向不同，我们所看到的行星状星云有的很圆、有的则像沙漏，从星云的不同侧面去看，形状也各不相同。