海王星的地幔相当于10到15个地球质量，富含水、氨和甲烷。按照行星科学的惯例，这种混合物被称为冰，即使它是一种热的、致密的流体。一个由氢分子组成的导电性很强的水，它有时被称为水的氢离子层，在更深层的高级离子水中，氧结晶，而氢离子在氧晶格中自由漂浮。
另有一些研究人员对钻石熔点进行了详细测量，当钻石融化时就像是水冷冻和融化的过程，在液态形式之上漂浮着固定形式钻石是一种非常坚硬的物质，它很难被融化。由于当钻石在高温下加热熔化容易变成石墨，因此研究人员很难测量钻石在变成石墨之前具体的熔点。科学家将钻石暴露于高压下使用激光轰击钻石表面，4000万倍零海拔压力的作用下，钻石变成了液态。当压力降低至零海拔1100万倍，温度降低至5万摄氏度，固体成块的钻石便开始形成。
科学家发现一些事情并非他们之前所预计的那样，当温度降低至形成固态钻石的状态下，形成的固态钻石并未沉下去，而是漂浮在液态钻石的顶层，就像是钻石冰川一样。在海王星和天王星这样的超大气态行星上，存在着类似钻石液化的超高温度和压力。如海王星，在7000千米的深度，甲烷分解成钻石晶体，像冰雹一样向下滴落。科学家还认为，这种钻石雨还会发生在木星、土星和天王星上。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的超高压实验表明，地幔顶部可能是液态碳的海洋，上面漂浮着固体钻石。
科学家唯一能确定海王星和天王星表面是否存在液态钻石的方法就是发射科学探测器，或者在地球模拟这些气态行星的环境特征但以上的方法成本都很高，需要多年时间进行准备。据悉，这项研究报告已发表在《自然物理学》期刊上。
海王星的核心可能由铁、镍和硅酸盐组成，内部的质量大约是地球的1.2倍。中心的压力为7 mbar，大约是地球中心的两倍，温度可能为5400 K。
海王星的大气占总质量的5%到10%，并向核心延伸了约10%到20%。在高海拔处，海王星的大气层80%是氢，19%是氦，也存在着微量的甲烷。主要的吸收带位于600纳米以上波长的红色和红外线的光谱位置。与天王星比较，它的吸收是大气层的甲烷部分，使海王星呈现介于蓝色和绿色之间的淡青色，时而偏蓝，时而偏绿。海王星的大气层可以细分为两个主要的区域：低层的对流层，该处的温度随高度降低；和平流层，该处的温度随着高度增加。两层之间的边界，对流层在气压为0.1巴处。平流层在气压低于10至10微巴处成为热成层，热成层逐渐过渡为散逸层。
模型表明海王星对流层的云带取决于不同海拔高度的成分。高海拔的云出现于气压低于1帕之处，该处的温度使甲烷可以凝结。压力在1巴至5巴，被认为氨和硫化氢的云可以形成。