Tidigare har endast större, Jupiterliknande jättar studerats på detta sätt.
Genom att arbeta med tre rymdteleskop härledde astronomerna förekomsten av vatten genom att mäta ljusets färger som planeten absorberade när den passerade framför sin stjärna.
Fyndet förekommer i tidskriften Nature.
Det gjordes av ett team av forskare som leddes från University of Maryland, USA.
Planeten, som benämns HAT P-11b, kretsar kring en sol i stjärnbilden Cygnus omkring 124 ljusår - ungefär en kvadriljon kilometer - från jorden. Den är ungefär fyra gånger så bred som vår hemvärld.
Forskarna studerade planetens atmosfär med hjälp av USA:s rymdagentur Hubble, Spitzer och Kepler teleskop.
Deras observationer fick också stor hjälp av att det inte fanns några moln på HAT P-11b, som annars skulle ha omintetgjort deras försök att undersöka dess gashölje.
Teamet bestämde att den avlägsna världens atmosfär innehöll cirka 90% väte, men också betydande mängder vattenånga.
I en kommentar till resultaten sade dr Eliza Kempton från Grinnell College i Iowa att Marylandgruppen hade tagit ytterligare ett viktigt steg i studiet av exoplaneter - planeter utanför vårt solsystem.
"Astronomer har upptäckt vattenånga i atmosfären på större planeter - planeter som är närmare Jupiter.  Men ni kan tänka er att vi till slut vill kunna upptäcka molekyler i atmosfären på ännu mindre planeter.
"Vi vill kunna titta på en jordstor planet och mäta dess gassammansättning.  Så detta är ett steg på stegen; vi kliver ner stegen mot mindre och mindre planeter," berättade hon denna vecka s Science In Action program på BBC World Service.
Vatten har uppenbara konsekvenser för livet, även om HAT P-11b är för nära sin stjärna - och därför för varmt - för att vara beboeligt.
Men i den framtida studien av jordstora exoplaneter, närvaron av vatten kommer att vara en viktig aspekt när forskare söker biologi någon annanstans i vår galax.
En molnfri atmosfär har gjort det möjligt för forskare att välja ut tecken på vattenånga på en avlägsen planet av Neptunus storlek: den minsta "exoplanet" någonsin att avslöja sin kemiska sammansättning.