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公里至150公里,并且在低层云顶之上50公里至110公里。海王星的光谱建议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。这颗行星的热成层有着大约750K的异常高温,其原因至今还不清楚。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。一个候选的加热机制是行星的磁场与离子的交互作用;另一个候选者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。在海王星和天王星之间的一个区别是典型气象活动的水平。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,海王星展现了著名的天气现象。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,它的天气特征是极为剧烈的风暴系统,其风速达到超音速速度直至大约2100 km/h。在赤道带区域,更加典型的风速能达到大约1200km/h。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 km/h。1989年,美国航空航天局的旅行者2号航天器发现了大黑斑,它是一个欧亚大陆大小的飓风系统。这个风暴类似木星上的大红斑。然而在1994年11月2日,哈勃太空望远镜在海王星上没有看见大黑斑,反而在北半球发现了类似大黑斑的一场新的风暴。大黑斑失踪的原因尚未知晓。一种可能的理论是来自行星核心的热传递扰乱了大气均衡并且打乱了现有的循环样式。滑行车(英文:Scooter)是位于大黑斑更南面的另一场风暴,是一组白色云团1989年,当它在旅行者2号造访前的那几个月被发现时,就被命名了这个绰号:因为它比大黑斑移动得更快。随后图像显示出还有比滑行车移动得更快的云团。小黑斑是一场南部的飓风风暴,在1989旅行者2号访问期间强度排在第二位。它最初是完全黑暗的,但在"旅行者"接近过程中,一个明亮的核心逐渐形成,并且出现在大多数最高分辨率的图像上。2007年又发现海王星的南极比其表面平均温度(大约为-200 ℃)高出约10 ℃。这样高出10 ℃的温度足以把甲烷释放到太空,而在其它区域海