Beim letzten Besuch von Voyager 2 mit einem Planeten vor dem Verlassen des Sonnensystems kam Voyager 2 3000 Meilen (5000 km) über den Nordpol des Neptun, die nächstgelegene Annäherung an einen Planeten, nachdem sie die Erde verlassen hatte. Voyager 2 untersuchte die Atmosphäre von Neptun, seine Ringe, seine Magnetosphäre und seine Monde. Es wurden mehrere Entdeckungen gemacht, darunter die Entdeckung des Großen Dunklen Flecks und der Geysire von Triton.
Voyager 2 fand heraus, dass Neptuns Atmosphäre sehr aktiv ist, obwohl sie nur 3% des Sonnenlichts erhält, das der Jupiter empfängt. Voyager 2 entdeckte eine Antizyklone namens Großer Dunkler Fleck, ähnlich dem Großen Roten Fleck des Jupiter. Die vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommenen Bilder zeigten jedoch, dass der Große Dunkle Fleck verschwunden war. Ebenfalls in der damaligen Neptun-Atmosphäre zu sehen war ein mandelförmiger Fleck namens "D2" und eine helle, sich schnell bewegende Wolke hoch über den Wolkendecks namens Scooter.
Voyager 2 fand auch vier Neptunringe und fand Beweise für Ringbögen oder unvollständige Ringe um Neptun. Auch die Magnetosphäre von Neptun wurde von Voyager 2 untersucht. Das Instrument der planetarischen Radioastronomie fand heraus, daß der Neptuntag sechzehn Stunden und sieben Minuten beträgt. Voyager 2 entdeckte auch Polarlichter, wie auf der Erde, aber viel komplizierter.
Voyager 2 entdeckte sechs Monde, die den Neptun umkreisten, aber nur drei wurden im Detail fotografiert: Proteus, Nereid und Triton. Proteus entpuppte sich als ein Ellipsoid, so groß wie ein Ellipsoid werden kann, ohne sich in eine Kugel zu verwandeln. Proteus ist von sehr dunkler Farbe. Nereid wurde zwar 1949 entdeckt, ist aber auch nach dem Vorbeiflug von Voyager 2 noch immer nicht gut bekannt. Triton wurde in etwa 25.000 Meilen (40.000 km) Entfernung vorbei geflogen und wurde das letzte Objekt, das Voyager 2 jemals erforschen würde. Es wurde gezeigt, daß Triton außerordentlich aktive Geysire und Polkappen besitzt. Man fand eine sehr dünne Atmosphäre sowie dünne Wolken.
