海王星与太阳之间的平均距离为45亿公里，约30.1个天文单位。海王星的轨道周期大约相当于164.79地球年，轨道倾角约为1.77°。海王星于2011年7月12日回到绕日公转轨道上它被发现时的那个点。由于地球处于其365.25天周期轨道的不同地点，届时从地球看到的海王星并不会处在它被发现时在天空中的那个位置。从地球上观察，海王星冲日周期为367天，这些周期使它在2010年4月和7月以及2011年10月和11月接近1846年它被发现时的坐标。在2010年8月20日，海王星于发现它的1846年中的同一天再度冲日。
海王星的轴向倾角为28.32°，与地球和火星的倾角相似，因此，海王星经历了与地球相似的季节变化。海王星的长轨道周期意味着四季持续40地球年。海王星的自转周期是15小时57分59秒。
因为海王星不是一个固体，它的大气层会发生差速旋转。宽赤道带的自转周期约为18小时，比星体磁场的16.1小时自转慢。相反，在极性区域，旋转周期为12小时，反之亦然。海王星的较差自转是太阳系中最明显的，它会导致强烈的纬向风切变。
海王星的质量为1.0247e+26千克，是介于地球和巨行星之间的中等大小行星：它的质量是地球质量的17倍，是木星质量的1\/18。因为它们质量较典型类木行星小，而且密度、组成成分、内部结构也与类木行星有显着差别，海王星和天王星一起常常被归为类木行星的一个子类：冰巨星。在太阳系外行星研究领域，海王星被用作一个通用代号，指所发现的有着类似海王星质量的系外行星，就如同天文学家们常常说的那些系外“木星”。
因为轨道距离太阳很远，海王星从太阳得到的热量很少，所以海王星大气层顶端温度只有-218c，而由大气层顶端向内温度稳定上升。和天王星类似，星球内部热量的来源仍然是未知的，而结果却是显着的：作为太阳系最外侧的行星，海王星内部能量却大到维持了太阳系所有行星系统中已知的最高速风暴。对其内部热源有几种解释，包括行星内核的放射热源，行星生成时吸积盘塌缩能量的散热，还有重力波对平流圈界面的扰动。
海王星内部结构和天王星相似。行星核是一个质量大概不超过一个地球质量的由岩石和冰构成的混合体。海王星地幔总质量相当于10到15个地球质量，富含水，氨，甲烷和其它成分。作为行星学惯例，这种混合物被叫作冰，虽然其实是高度压缩的过热流体。这种高电导的流体通常也被叫作水-氨海洋。大气层包括大约从顶端向中心的10%到20%，高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷，氨和水的含量随高度降低而增加。更内部大气底端温度更高，密度更大，进而逐渐和行星地幔的过热液体混为一体。海王星内核的压力是地球表面大气压的数百万倍通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。