Podczas ostatniej wizyty Voyagera 2 na planecie przed opuszczeniem Układu Słonecznego, Voyager 2 zbliżył się na odległość 3000 mil (5000 km) nad północny biegun Neptuna, co było najbliższym podejściem do jakiejkolwiek planety po opuszczeniu Ziemi. Voyager 2 badał atmosferę Neptuna, jego pierścienie, magnetosferę i księżyce. Dokonano kilku odkryć, w tym odkrycia Wielkiej Ciemnej Plamy i gejzerów Trytona.
Voyager 2 odkrył, że atmosfera Neptuna jest bardzo aktywna, mimo że dociera do niej tylko 3% światła słonecznego, jakie otrzymuje Jowisz. Voyager 2 odkrył antycyklon zwany Wielką Ciemną Plamą, podobny do Wielkiej Czerwonej Plamy Jowisza. Jednak zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a pokazały, że Wielka Ciemna Plama zniknęła. W atmosferze Neptuna zaobserwowano wtedy również plamę w kształcie migdała, nazwaną "D2", oraz jasną, szybko poruszającą się chmurę wysoko ponad pokładami chmur, nazwaną Scooter.
Voyager 2 znalazł również cztery pierścienie Neptuna i znalazł dowód na istnienie łuków pierścieniowych, czyli niekompletnych pierścieni wokół Neptuna. Magnetosfera Neptuna została również zbadana przez Voyagera 2. Planetarny instrument radioastronomiczny odkrył, że dzień Neptuna trwa szesnaście godzin i siedem minut. Voyager 2 odkrył również zorze polarne, takie jak na Ziemi, ale o wiele bardziej skomplikowane.
Voyager 2 odkrył sześć księżyców orbitujących wokół Neptuna, ale tylko trzy zostały sfotografowane szczegółowo: Proteusa, Nereidę i Trytona. Proteus okazał się być elipsoidą, tak dużą jak tylko elipsoida może się stać bez przekształcenia się w kulę. Proteus ma bardzo ciemny kolor. Nereida, choć odkryta w 1949 roku, wciąż nie jest dobrze znana, nawet po tym jak przeleciał obok niej Voyager 2. Triton przeleciał w odległości około 25 000 mil (40 000 km) i stał się ostatnim obiektem, który Voyager 2 miał zbadać. Okazało się, że Tryton posiada niezwykłe aktywne gejzery i czapy polarne. Stwierdzono bardzo cienką atmosferę, jak również cienkie chmury.
