كان متوقعا رياضيا وجود كوكب نبتون، قبل مشاهدته فعليا ، مع تنبؤ أوربان لو فيرييه ، مشاهدات تلسكوبية أكدت وجود كوكب رئيسي ، تمت ليلة 24 سبتمبر 1846 ، و امتدت إلى الصباح ، في مرصد برلين ، عن طريق الفلكي جوهان غوتفريد غال و بمساعدة هينريتش دارست ، الّذين عملا وفقا لحسابات لوفيرنييه.كانت لحظة مؤثرة في علم القرن التاسع عشر ،
و تأكيدا دراماتيكيا لنظرية نيوتن للجادذبية . كما يقول أراجو : " لو فيرنييه اكتشف كوكبا برأس قلمه ". في وقت لاحق ، و بعد اكتشاف كوكب نبتون ظهر أنه كان قد لوحظ عدة مرات سابقا ، لكن دون معرفة ماهيته ،
و أنّ ثمت آخرين قاموا بحسابات مختلفة حول موقعه ، لكنها لم توصلهم إلى مشاهدته فعليا . بقدوم سنة 1846 ، كان كوكب أورانوس قد أكمل تقريبا دورة كاملة منذ اكتشافه عن طريق ويليام هيرشل
في 1871 ، و اكتشف الفلكيون مجموعة من الاختلالات في مساره ، و الّتي لم يمكن شرحها كليّا بقانون نيوتون للجاذبية . هذه الاختلالات ، قد تفسَّر بجاذبية كوكب مجهول بعيد كان يؤثر سلبا على مسار أورانوس حول الشمس. في 1845 ، بدأ كلّ من الفلكيين أوربان لو فيرييه في باريس ، و جون كوتش أدامز في كامبريدج حساباتهما بشكل منفصل لتحديد طبيعة
و موقع كوكب ما.لسوء الحظ ، انتصار لو فيرييه قاد أيضا إلى نزاع دولي مثير حول أولوية الاكتشاف ، حيث بعد وقت قصير من اكتشاف الكوكب ، أعلن الفلكي الملكي جورج آيري أن أدامز قد تنبأ أيضا باكتشاف الكوكب. و بأي حال ، فقد قلدت الجمعية الملكية الفلكية لو فيرييه وسام كوبلي في 1846 مكافأة على إنجازاته ، دون ذكر ادامز. اكتشاف كوكب نبتون ، أدى إلى اكتشاف قمره تيتون عن طريق ويليام لاسل بعد سبعة عشر يوما فقذ من اكتشاف نبتون .
كوكب نبتون غير مرئي بالعين المجردة كونه شديد الظلمة ( الحجم الملاحظ ليس أكثر من 7.7[1] ) وصغير الحجم ( ذروة الحجم الزاوي 2.4 ثانية قوسية ). ولذلك لم تكن ملاحظة نبتون ممكنة قبل اختراع التلسكوب . ثمّة أدلة على مشاهدات سابقة لكوكب نبتون لكل من : غاليليو غاليلي سنة 1613 وجيروم لالاند سنة 1795 و جون هيرتشل سنة 1830، ولكن لا أحد منهم تعرّف على أنه كوكب آنذاك.[2] هذه الملاحظات السابقة للاكتشاف كانت مهمة في تحديد مدار نبتون . وقد يظهر نبتون بشكل واضح أحيانا، لذا فإن أية تسجيلات من تلسكوبات أقدم قد تكون محتملة الصحة.[3]
رسومات غاليليو تظهر أنه قد شاهد نبتون في 28 ديسمبر 1612، ثمّ مرة أخرى في 27 يناير 1613، وفي كلتا المشاهدتين أخطأ غاليليو إذ اعتبر ما رآه نجما ثابتا، حيث ظهر قريبا جدا من كوكب المشتري.[4] تاريخيا، اعتُقد أن غاليليو آمن أن نبتون كان نجما أزرق ثابتا، ولذا لم يكن له فضل في اكتشافه . في أول مشاهدة له في ديسمبر 1612، كان ثابتا في السماء يومها، لأنه كان قد بدأ لتوه دورته التراجعية، ويًعتقد أن حركة نبتون كان بطيئة جدا، وبدا حجمه متناهي الصغر، حتى لم يبدُ كوكبا عبر تلسكوب غاليليو الصغير.[5] لكن في سنة 2009 أعلن الفيزيائي ديفيد جاميسون من جامعة ملبورن عن أدلة جديدة تثبت أن غاليليو كان قد اكتشف فعلا شيئا غير عادي بخصوص ذلك النجم. حيث ذكر غاليليو في إحدى مذكراته حركةَ خلفية النجم (نبتون) في 28 يناير وظهر رسم لنقطة (في موقع نبتون) بحبر مختلف قد تكون رسمت في وقت سابق ( ليل السادس من يناير )، مقترحا بحثا منهجيا حول اكتشافاته السابقة. وعلى كل حال، فإنه ليس هناك من دليل واضح على أنه تعرّف على أن تلك الحركة كانت لكوكب، و لا أنه نشر ملاحظاته تلك. ولا دليل على أنه حاول مشاهدته من جديد.[6]
في 1847، قام سيرز س. وولكر من مرصد البحرية الأمريكية، بالبحث في التسجيلات التاريخية والمراقبات عن اكتشافات مسبقة محتملة لكوكب نبتون . ووجد أن تلك الملاحظات المسجلة من طرف فريق عمل لالند في مرصد باريس سنة 1795 كانت تشير إلى جهة موقع نبتون في السماء. في الملاحظات المؤرخة بـ 08 و10 مايو 1795 ذُكر أنه تمت مشاهدة نجم في الموقع الافتراضي المتوقع لكوكب نبتون. وعُلِّمَ الموقع غير المعروف بخانة، وكذا أشارت الملاحظات إلى وجود خطأ في المراقبة، لذا لم يكن إلى وقت تلك التسجيلاتٍ الأصلية َ للمراقبة اعادة مشاهدة تقود إلى تحديد يقينا على أن ذلك الشيء هو كوكب نبتون، و الخطأ في المراقبة كان راجعا إلى كونها تمت على ليلتين مختلفتين تحرك فيها الكوكب في السماء.[7] اكتشاف هذه التسجيلات لموقع نبتون في 1795 قادت إلى حسابات أدق لمدار الكوكب.[8]
اكتشف جون هيرتشل نبتون تقريبا بنفس طريقة والده ويليام هيرتشل الّذي اكتشف كوكب أورانوس سنة 1781، عبر مشاهدة عن طريق المصادفة . وفي رسالة مؤرخة بـ 1846 إلى ويليام ستروف دوّن جون هيرتشل أنه لاحظ كوكب نبتون خلال عملية مراقبة للسماء في 14 جويلية 1830، وبالرغم من أن تلسكوبه كان بالقوة الكافية ليشاهد نبتون كقرص أزرق وتعرف عليه ككوكب بجلاء، إلا أنه أخطأ واعتقده نجما.[9]