Der innere Aufbau Neptuns ähnelt wahrscheinlich dem seines „Zwillingsplaneten“, Uranus. Demnach hätte Neptun einen dichten Kern aus Gestein und Metall von der Größe der Erde, dessen Masse zwischen einer und 1,5 Erdmassen beträgt (in der Grafik als Core bezeichnet). Radioaktive Zerfallsprozesse im Kern könnten die Ursache dafür sein, dass Neptun wesentlich mehr Energie (das 2,7-fache) emittiert, als er von der Sonne erhält. Um diese Theorie zu erhärten, bedarf es allerdings noch weiterer Beobachtungen. Über dem Kern befindet sich eine dicke Mantelschicht (Mantle) aus Wasser-, Ammoniak- und Methaneis, deren Dichte aber nicht einheitlich ist, sondern mit der Tiefe zunimmt.
Der Begriff „Eis“ ist in diesem Zusammenhang etwas missverständlich: Es handelt sich dabei keineswegs um kühle oder kalte feste Substanzen, sondern um ein Gemisch, das aufgrund der herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen heiß und flüssig ist. Planetologen bezeichnen dies jedoch trotzdem als Eis. Die Masse des Mantels beträgt ungefähr zehn bis 15 Erdmassen, eine genauere Schätzung ist schwierig, ohne die exakten Durchschnittswerte für Dichte und Tiefe des Mantels zu kennen.
Der obere Mantel geht nahtlos in die untere Atmosphäre über, weshalb auch Neptun keine richtige Oberfläche besitzt. Die Masse der hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehenden Neptun-Atmosphäre entspricht (unter Vorbehalt) circa ein bis zwei Erdmassen. Auf den Bildern erkennt man aber meist nur die oberen Atmosphärenschichten mit der relativ homogenen Wolkendecke und den Sturmsystemen.
