Sao Hải Vương
Thăm dò

Tàu thám hiểm vũ trụ Voyager 2 tiếp cận Sao Hải Vương gần nhất vào ngày 25 tháng 8 năm 1989. Do đây là hành tinh lớn cuối cùng mà con tàu viếng thăm, các nhà quản lý chương trình quyết định cho con tàu bay qua vệ tinh Triton, vì họ không cần phải tính đến quỹ đạo tàu sau đó như thế nào, tương tự như tàu Voyager 1 bay qua Sao Thổ và thực hiện chuyến bay qua vệ tinh Titan. Những bức ảnh Voyager 2 gửi về Trái Đất trở thành nội dung chính cho một chương trình của đài PBS, Neptune All Night.
Trong giai đoạn bay qua, tín hiệu từ Voyager 2 cần 246 phút để tới được Trái Đất. Do vậy, đa số tiến trình thực hiện của tàu là đã được lập trình sẵn trước đó từ mặt đất và gửi lên qua mạng lưới truyền tin không gian trước khi con tàu bay qua Sao Hải Vương. Voyager 2 cũng bay gần vệ tinh Nereid trước khi cách tầng trên khí quyển hành tinh ở khoảng cách 4.400 km vào ngày 25 tháng 8, và sau đó nó bay qua vệ tinh lớn nhất Triton trong cùng ngày.
Voyager 2 cũng đo được từ trường bao quanh hành tinh và phát hiện ra trục từ trường lệch khỏi tâm Sao Hải Vương và nghiêng tương tự như trục từ trường của Sao Thiên Vương. Vấn đề chu kỳ tự quay của hành tinh cũng được xác định bằng cách đo chu kỳ phát ra bức xạ vô tuyến từ Sao Hải Vương. Voyager 2 cũng cho thấy hành tinh có bầu khí quyển hoạt động rất mạnh mẽ. Con tàu phát hiện ra thêm 6 vệ tinh mới, và thêm một vành đai mới.
Năm 2003, có một đề xuất trong Kế hoạch các phi vụ trong tương lai của NASA nhằm phóng một tàu quỹ đạo Sao Hải Vương mang theo một thiết bị thăm dò khí quyển giống như phi vụ Cassini. Chương trình do Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực JPL và Học viện công nghệ California hợp tác thực hiện, nhưng dự án đã không được phê chuẩn.
Urbain Le Verrier
So sánh kích thước Trái Đất và Sao Hải Vương.
Minh họa cấu trúc bên trong của Sao Hải Vương: 
 1. Tầng thượng quyển với những đám mây cao 
 2. Tầng khí quyển chứa các khí hydro, heli và methan 
 3. Lớp phủ chứa băng gồm nước, amonia và methan 
 4. Lõi hành tinh chứa đá (silicat và nikel-sắt)
Ảnh màu giả chụp Sao Hải Vương qua bước sóng gần-hồng ngoại, với các dải mây chứa methan trong khí quyển của hành tinh, và bốn vệ tinh, Proteus (sáng nhất), Larissa, Galatea, và Despina. Ảnh của kính thiên văn Hubble.
Những dải mây ở trên cao phủ bóng xuống tầng mây thấp hơn của Sao Hải Vương. Ảnh của Voyager 2
Vành đai Sao Hải Vương, chụp bởi Voyager 2.
Sự biến đổi trong thời gian "ngắn" của mùa trên Sao Hải Vương. Ảnh của Hubble
Vết Tối Lớn (trên), "Scooter" (đám mây trắng ở phía nam Vết Tối Lớn), và Vết Tối Nhỏ (dưới).
Vết Tối Lớn, phía nam bán cầu ở phía trên bức ảnh (ảnh đã bị quay ngược), chụp bởi Voyager 2
Cơn bão xoáy khí quyển trên Sao Hải Vương theo thời gian
Sự hiện diện của Vết Tối Lớn phía bắc vào năm 2018 là bằng chứng cho thấy một cơn bão lớn đang hình thành, chụp bởi Hubble
Bốn bức ảnh chụp cách nhau vài giờ từ kính thiên văn Hubble của NASA/ESA qua camera WFC 3.
Sao Hải Vương (vòng đỏ) hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt Trời hết 164,79 vòng quỹ đạo Trái Đất. Sao Thiên Vương có màu xanh.
Minh họa những quỹ đạo cộng hưởng trong vành đai Kuiper do ảnh hưởng của Sao Hải Vương: đường nâu sáng có cộng hưởng 2:3 (plutinos), "vành đai cổ điển" (cubewanos), và đường nâu sẫm cộng hưởng 1:2 (twotino.
Mô phỏng máy tính cho thấy những hành tinh bên ngoài và vành đai Kuiper: a) trước khi Sao Mộc và Sao Thổ đạt cộng hưởng quỹ đạo 2:1; b) các vật thể trong vành đai Kuiper thu hẹp quỹ đạo dần về phía Mặt Trời trong khi Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương dịch chuyển quỹ đạo ra bên ngoài; c) sau một thời gian dài Sao Mộc làm lệch hoặc đẩy các vật thể trong vành đai Kuiper ra xa.
Sao Hải Vương (trên) và Triton (dưới)
Ảnh màu thực của Sao Hải Vương và vệ tinh Proteus (trên), Larissa (dưới bên phải) và Despina (trái), ảnh của kính Hubble.
Vệ tinh Proteus.
Ảnh hồng ngoại về hệ Sao Hải Vương cùng với vành đai và các vệ tinh tự nhiên do Kính viễn vọng không gian James Webb chụp vào năm 2022. Tên của các vệ tinh tự nhiên  được chú thích trên ảnh.
Ảnh của Voyager 2 chụp vệ tinh Triton.