Odkryty 23 września 1846 Neptun jest jedyną planetą, której istnienie wykazano nie na podstawie obserwacji nieba, ale na drodze obliczeń matematycznych. Niespodziewane zmiany w ruchu orbitalnym Urana doprowadziły astronomów do wniosku, że podlega on perturbacjom pochodzącym od nieznanej planety. Neptun został następnie zaobserwowany przez Johanna Galle w miejscu przewidzianym przez Urbaina Le Verriera.
W 1923 Edwin Hubble wykonał dokładne zdjęcia M31 przy użyciu największego wówczas, 2,5-metrowego teleskopu zwierciadlanego. Szukając na nich gwiazd nowych, przypadkowo odnalazł na jednym z nich gwiazdę zmienną. Zdjęcie, na którym ją zaznaczył, jest jedną z najbardziej znanych astronomicznych fotografii. Odnajdując kolejne, zidentyfikował je jako cefeidy, co pozwoliło mu obliczyć odległość do Galaktyki Andromedy.
Powyżej zdjęcie słynnej cefeidy z teleskopu Hubble’a.
Największy księżyc Neptuna został odkryty przez Williama Lassella 10 października 1846 roku, zaledwie 17 dni po odkryciu samej planety.