对流层是天王星大气中密度最大的。此处温度在46.85°C(底部)至-220°C(50公里)之间，上层区域是太阳系内最冷的地方。对流层是天王星产生热力红外辐射的主要区域，因此它的表面有效温度是59.1±0.3K。
云层位于对流层内——水云位于气压最低处，它们的上方是氢硫化铵云。氨和硫化氢云又在后者之上。最顶层则是甲烷云。
平流层的温度在-220°C(上层)至527和577°C(热层底部)之间，这里的热量大部分是由太阳辐射提供。平流层中含有甲烷雾，这些物质使行星呈现出平乏的外观特征。那里还存在着乙炔和甲烷，这些雾圈有助于平流层保持温度。
哈勃太空望远镜拍摄的天王星。NASA / 哈勃太空望远镜
最外层是热层和“冕”，它们从距“表面”4000公里开始，一直扩展到50000公里处。这个区域的温度大体一致，在577°C左右，原因是个谜。因为天王星和太阳距离十分遥远，来自太阳的热量不足以产生这么高的温度。
经过色彩处理的海王星大气特征图片，标出了风速。Erich Karkoschka
海王星大气
海王星大气上部主要是90%的氢和19%的氦，同时含有少量的甲烷。和天王星一样，这种物质能够吸收红光，因此它们都呈蓝色调。但海王星色译较深，更为鲜艳。因为海王星大气含有的甲烷和天王星相似，因此肯定存在着某种未知的成分，使它拥有了如此夺目的色彩。
海王星大气可被分成两大区域：较低的对流层(温度随高度增加而下降)，以及平流层(温度随高度增加而增加)。两者间的对流层顶部气压大约是0.1巴。平流层气压降低到10^-5至10^-4毫巴处便是热层的开始，随后便逐渐地向外逸层过渡。
海王星的光谱分析结果表明它的平流层较低处因为聚集了大量紫外线和甲烷相互作用的产物而出现了一个雾圈，这些物质大部分是乙烷和乙炔。平流层也中也含有少量的二氧化碳和氢氰酸，从而导致海王星的平流层温度高于天王星。
出于某种未知的原因，这个行星的热层温度异常地高达476.85°C。它离太阳非常遥远，因此不可能是由紫外辐射导致的，必定存在着某种未被发现的产热机制——有可能是大气与离子在行星磁场中的相互作用导致的，也有可能是来自行星内部的引力波在大气中消散产生的。
由于海王星不是固态的，因此它的大气各部分的自转速度不同。赤道区域的自转周期大约是18小时，比行星磁场16.1小时的自转速度低。而其极地区域的自转周期是12小时。
