Uranus har en kjemisk sammensetning som likner Neptuns. De to 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». Mens Jupiters og Saturns atmosfære hovedsakelig består av hydrogen og helium, har Uranus en større mengde isdannende stoffer som blant annet vann, ammoniakk og metan i sin atmosfære. I tillegg har man funnet spor etter hydrokarboner i planeten. Uranus har den kaldeste planetariske atmosfæren i hele solsystemet med en minimumstemperatur på −224 °C (49 K). Den har en sammensatt og lagdelt oppbygning av skyer, det antas at vann danner de laveste skyene og metan de øvre skylagene. Uranus’ indre står i kontrast til atmosfæren ettersom det for det meste består av is og stein.