Neptun har en lignende kjemisk sammensetning som Uranus, og begge skiller seg fra sammensetningen til de langt større gasskjempene Jupiter og Saturn. Som en følge av denne forskjellen plasserer astronomer i visse tilfeller de to førstnevnte i en egen kategori, «iskjempene». Jupiters og Saturns atmosfære består hovedsakelig av hydrogen og helium, sammen med spor av hydrokarboner og muligens nitrogen. Neptuns atmosfære har en større mengde isdannende stoffer, som blant annet vann, ammoniakk og metan. Planetens blå utseende kommer hovedsakelig av at rødt sollys absorberes av metan i de øvre atmosfærelagene.