航行者二號太空船拍攝的海王星
伽利略在1612年12月28日首次觀測並描繪出海王星，1613年1月27日又再次觀測，但因為觀測的位置在夜空中都靠近木星（在合的位置），這兩次機會伽利略都誤認海王星是一顆恆星， 因為1612年12月第一次觀測的，海王星在留轉向逆行的位置，剛開始退行時的運動還十分微小，以至於伽利略的小望遠鏡查覺不出位置的改變。
1821年，亞歷斯·布瓦出版天王星的軌道表， 隨後的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差，布瓦因此假設有一個攝動體存在。1843年，英國數學家約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道，並將計算結果送交皇家天文學家喬治·比德爾·艾里，他詢問了亞當斯一些在計算上的問題，亞當斯雖然草擬答案但未曾回覆。
1846年，法國工藝學院的天文學教師於爾班·勒威耶，在得不到同伴的支持下，以自己的熱忱獨立完成了海王星位置的推算。同年，英國的約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星，並說服詹姆斯·查理士着手進行。
在多次躭擱之後，查理士在1846年7月勉強開始搜尋的工作；而在同時，勒威耶也說服柏林天文台的約翰·戈特弗里德·加勒搜尋行星。當時仍是柏林天文台的學生達赫斯特表示正好完成勒威耶預測天區的最新星圖，可以做為尋找新行星時與恆星比對的參考圖。1846年9月23日晚間海王星被發現，與勒威耶預測的位置相距不到1°
海王星，是唯一通過數學預測而非有計劃的觀測發現的行星。天文學家利用天王星軌道的攝動推測出海王星的存在與可能的位置。
1989年8月25日航行者二號到達距海王星最近的地點。因為這是航行者2號飛船所要飛近的最後一個主要行星，也就沒有後續軌道限制，它的軌道非常接近衛星海衛一。這次探測發現了大暗斑，但後來用哈勃太空望遠鏡觀察海王星時發現大暗斑已經消失。大暗斑起初被認為是一大塊雲，而據後來推斷，它應該是可見雲層上的一個孔洞。
【圖：美國太空總署；資料：維基百科】
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