直到目前为止，人类只对海王星进行过一次探测任务，是由旅行者二号（1977年8月20日从卡纳维拉尔角发射）

旅行者2号（英语：Voyager 2）是一艘于1977年8月20日发射的美国宇航局无人星际航天器，截至2020年依然正常运作，是有史以来运作时间最久的空间探测器。截至2019年8月28日止，旅行者2号正处于离太阳121.6 AU（1.82×1010 km）的位置。它与其姊妹船旅行者1号基本上设计相同。不同的是旅行者2号循一个较慢的飞行轨迹，使它能够保持在黄道（即太阳系众行星的轨道水平面）之中，借此在1981年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星。正因如此，它并没有像它的姊妹旅行者1号一样能够如此靠近土卫六。但它因此而成为了第一艘造访天王星和海王星的航天器，完成了藉这个176年一遇的行星几何排阵而造访四颗气态巨行星的机会

旅行者2号

海王星与地球的距离很远（从地球发出的光要花费超过4小时来能到达海王星，意味着探测器无法直接从地面控制），尽管旅行者2号飞掠的目标原本只有木星和土星，但是探测船仍然成功地探索海王星系统，最近时距离仅10公里，并从轨道向地球发送大量图像和数据

旅行者2号拍摄的海卫一照片

1989年8月25日，旅行者2号飞越海王星北极，距离地表为4950公里。旅行者2号之后经过最大的卫星海卫一，距离约40,000公里，并在任务进行途中，发现了6颗新的卫星及暗淡的行星环系统。旅行者2号获得海王星和海卫一第一张特写照片，显示出海卫一大气层确实存在。天文学家根据传回的数据可以精确计算出海王星的质量，平均温度和自转速度。海卫一表面上也意外发现氮气的间歇泉。天文学家发现意想不到状况，例如高角度的旋转轴（47度）及奇异方向的海王星磁场（并非来自行星核心，而是来自地幔

旅行者2号拍摄的海王星

继旅行者2号后，NASA将进行旗舰任务。美国宇航局在2005年提出发射海王星轨道探测器的构想，计划于2016年发送一个或两个探测器登陆海卫一，并探测海王星的大气层

由于天文学家对于探测海王星系统的兴趣浓厚，一些学者认为美国宇航局负责的新疆界计划任务（如新视野号和朱诺号而探测器可以在2010年发射。阿尔戈号计划在2019年发射，这个探测器不仅可以研究海王星及其系统，而且也将经过木星及土星，并借由其重力节省燃料，然后接近柯伊伯带中两个或三个天体。新地平线号在通过冥王星后也将探测其他目标