Při své poslední návštěvě planety před opuštěním sluneční soustavy se sonda Voyager 2 přiblížila na 3000 mil (5000 km) nad severní pól Neptunu, což bylo nejtěsnější přiblížení k jakékoli planetě po opuštění Země. Voyager 2 studoval atmosféru Neptunu, jeho prstence, magnetosféru a měsíce. Bylo učiněno několik objevů, včetně objevu Velké tmavé skvrny a Tritonových gejzírů.
Voyager 2 zjistil, že Neptunova atmosféra je velmi aktivní, přestože na něj dopadá pouze 3 % slunečního záření, které přijímá Jupiter. Voyager 2 objevil anticyklónu zvanou Velká tmavá skvrna, podobnou Jupiterově Velké rudé skvrně. Snímky pořízené Hubbleovým vesmírným dalekohledem však ukázaly, že Velká tmavá skvrna zmizela. V té době byla v Neptunově atmosféře pozorována také skvrna ve tvaru mandle nazvaná "D2" a jasný, rychle se pohybující oblak vysoko nad oblačnými patry nazvaný Scooter.
Voyager 2 také našel čtyři prstence Neptunu a prokázal existenci prstencových oblouků neboli neúplných prstenců kolem Neptunu. Voyager 2 zkoumal také magnetosféru Neptunu. Planetární radioastronomický přístroj zjistil, že Neptunův den trvá šestnáct hodin a sedm minut. Voyager 2 také objevil polární záře, podobné těm na Zemi, ale mnohem komplikovanější.
Voyager 2 objevil šest měsíců obíhajících kolem Neptunu, ale pouze tři z nich byly detailně vyfotografovány: Proteus, Nereid a Triton. Ukázalo se, že Proteus je elipsoid, tak velký, jak jen elipsoid může být, aniž by se změnil v kouli. Proteus má velmi tmavou barvu. Nereida, ačkoli byla objevena v roce 1949, není ani po průletu sondy Voyager 2 příliš známá. Triton proletěl ve vzdálenosti asi 25 000 mil (40 000 km) a stal se posledním objektem, který Voyager 2 prozkoumal. Ukázalo se, že Triton má mimořádně aktivní gejzíry a polární čepičky. Byla zjištěna velmi řídká atmosféra a řídká oblaka.
