直到目前為止，人類只對海王星進行過一次探測任務，是由旅行者二號（1977年8月20日從卡納維拉爾角發射）

旅行者2號（英語：Voyager 2）是一艘於1977年8月20日發射的美國宇航局無人星際航天器，截至2020年依然正常運作，是有史以來運作時間最久的空間探測器。截至2019年8月28日止，旅行者2號正處於離太陽121.6 AU（1.82×1010 km）的位置。它與其姊妹船旅行者1號基本上設計相同。不同的是旅行者2號循一個較慢的飛行軌跡，使它能夠保持在黃道（即太陽系眾行星的軌道水平面）之中，藉此在1981年的時候透過土星的引力加速飛往天王星和海王星。正因如此，它並沒有像它的姊妹旅行者1號一樣能夠如此靠近土衛六。但它因此而成為了第一艘造訪天王星和海王星的航天器，完成了藉這個176年一遇的行星幾何排陣而造訪四顆氣態巨行星的機會

旅行者2號

海王星與地球的距離很遠（從地球發出的光要花費超過4小時來能到達海王星，意味著探測器無法直接從地面控制），儘管旅行者2號飛掠的目標原本只有木星和土星，但是探測船仍然成功地探索海王星系統，最近時距離僅10公里，並從軌道向地球傳送大量影象和資料

旅行者2號拍攝的海衛一照片

1989年8月25日，旅行者2號飛越海王星北極，距離地表為4950公里。旅行者2號之後經過最大的衛星海衛一，距離約40,000公里，並在任務進行途中，發現了6顆新的衛星及暗淡的行星環系統。旅行者2號獲得海王星和海衛一第一張特寫照片，顯示出海衛一大氣層確實存在。天文學家根據傳回的資料可以精確計算出海王星的品質，平均溫度和自轉速度。海衛一表面上也意外發現氮氣的間歇泉。天文學家發現意想不到狀況，例如高角度的旋轉軸（47度）及奇異方向的海王星磁場（並非來自行星核心，而是來自地幔

繼旅行者2號後，NASA將進行旗艦任務。美國宇航局在2005年提出發射海王星軌道探測器的構想，計劃於2016年傳送一個或兩個探測器登陸海衛一，並探測海王星的大氣層

由於天文學家對於探測海王星系統的興趣濃厚，一些學者認為美國宇航局負責的新疆界計劃任務（如新視野號和朱諾號而探測器可以在2010年發射。阿爾戈號計劃在2019年發射，這個探測器不僅可以研究海王星及其系統，而且也將經過木星及土星，並藉由其重力節省燃料，然後接近柯伊伯帶中兩個或三個天體。新地平線號在通過冥王星後也將探測其他目標