Lors de la dernière visite de Voyager 2 avec une planète avant de quitter le système solaire, Voyager 2 est arrivé à 5 000 km au-dessus du pôle nord de Neptune, l'approche la plus proche qu'il ait faite d'une planète après avoir quitté la Terre. Voyager 2 a étudié l'atmosphère de Neptune, ses anneaux, sa magnétosphère et ses lunes. Plusieurs découvertes ont été faites, dont la découverte de la Grande Tache Noire et des geysers de Triton.
Voyager 2 a constaté que l'atmosphère de Neptune était très active, même si elle ne reçoit que 3 % de la lumière solaire que Jupiter reçoit. Voyager 2 a découvert un anticyclone appelé la Grande Tache Sombre, similaire à la Grande Tache Rouge de Jupiter. Cependant, les images prises par le télescope spatial Hubble ont montré que la Grande Tache Sombre avait disparu. On a également vu dans l'atmosphère de Neptune à cette époque une tache en forme d'amande appelée "D2", et un nuage brillant se déplaçant rapidement au-dessus des nuages, appelé Scooter.
Voyager 2 a également trouvé quatre anneaux de Neptune et a trouvé des preuves d'arcs d'anneaux, ou d'anneaux incomplets autour de Neptune. La magnétosphère de Neptune a également été étudiée par Voyager 2. L'instrument de radioastronomie planétaire a découvert que la journée de Neptune est de seize heures et sept minutes. Voyager 2 a également découvert des aurores, comme sur Terre, mais beaucoup plus compliquées.
Voyager 2 a découvert six lunes en orbite autour de Neptune, mais seules trois ont été photographiées en détail : Proteus, Néréide et Triton. Proteus s'est avéré être un ellipsoïde, aussi grand qu'un ellipsoïde pourrait le devenir sans se transformer en sphère. Proteus est de couleur très sombre. Néréide, bien qu'il ait été découvert en 1949, n'est toujours pas bien connu, même après le passage de Voyager 2. Triton a été survolé à environ 40 000 km et est devenu le dernier objet que Voyager 2 a pu explorer. Il a été démontré que Triton possédait des geysers et des calottes polaires extraordinairement actifs. Une atmosphère très fine a été trouvée, ainsi que de minces nuages.
