Исследование Нептуна было начато станцией Voyager 2, который посетил планету 25 августа 1989 года. Экспедиция Neptune Orbiter была отменена, никаких других полетов к Нептуну проделано не было. На данный момент известно, что Нептун является газовым гигантом и не имеет твердой поверхности, таким образом, проведение миссии по высадке посадочного модуля маловероятно.

В перспективе (предположительно, в 2020-е) НАСА рассматривает возможность запустить к Нептуну КА Neptune Orbiter со спуском в атмосферу Нептуна двух зондов.

Вояджер-2

Нептун был последней планетой, которую посетил Вояджер-2. Космический корабль пролетел всего в 3000 км над северным полюсом планеты. Было проведено изучение атмосферы, магнитосферы, колец и спутников. Также удалось сделать несколько открытий, таких как Большое Темное Пятно и Тритон с гейзерами. Вояджер-2 показал, что в атмосфере Нептуна происходят очень динамичные процессы, хотя она получает лишь 3 % солнечного света получаемого Юпитером. Станция обнаружила антициклон называемый Большое Темное Пятно, похожий на открытые Джованни Кассини на Юпитере Большое Красное Пятно и Малое Красное Пятно. Но, снимки, сделанные космическим телескопом Хаббла показали, что Большое Темное Пятно исчезло.

Во время приближения к планете Вояджер-2 обнаружил четыре кольца и дуги (или неполные кольца) над Нептуном. Радиолокаторы станции обнаружили, что день на Нептуне длится шестнадцать часов семь минут. На полюсах были замечены полярные сияния, как и на Земле, но гораздо более сильные.

Вояджер-2 обнаружил шесть лун Нептуна, но только три были сфотографированы в деталях: Протеус, Нереида, и Тритон. Протеус по форме напоминает эллипс очень тёмного (почти как сажа) цвета.