Sao Hải Vương không thể quan sát bằng mắt thường được, với cấp biểu kiến +7,7 đến +8.0,[6][10] và hành tinh sáng hơn các vệ tinh Galileo của Sao Mộc, hành tinh lùn Ceres và các tiểu hành tinh 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno và 6 Hebe.[126] Một kính thiên văn hoặc một ống nhòm mạnh có thể phân giải Sao Hải Vương thành một đĩa xanh nhỏ, nhìn giống như Sao Thiên Vương.[127]

Bởi vì khoảng cách từ Trái Đất đến hành tinh rất xa, đường kính góc của hành tinh có giá trị trong phạm vi 2,2 đến 2,4 giây cung,[6][10] giá trị nhỏ nhất đối với các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Kích cỡ biểu kiến nhỏ của hành tinh là một thử thách lớn cho những nghiên cứu từ mặt đất. Hầu hết các kính thiên văn bị giới hạn trong khả năng quan sát cho đến khi các nhà thiên văn có kính thiên văn không gian Hubble và những kính thiên văn mặt đất cỡ lớn khác với công nghệ quang học thích nghi.[128][129]

Từ Trái Đất, Sao Hải Vương hiện lên trên bầu trời với chuyền động ngược sau mỗi 367 ngày, kết quả của một vòng chuyển động của Trái Đất, và khi nhìn từ mặt đất chúng ta thấy hành tinh chuyển động ngược lại so với các sao cố định sau mỗi lần xung đối với Trái Đất. Sao Hải Vương ở rất gần những vòng này vào năm khám phá 1846 cũng như vào tháng 10 và tháng 11 năm 2011.[95]

Quan trắc Sao Hải Vương qua bước sóng vô tuyến cho thấy hành tinh là một nguồn phát ra những bức xạ vô tuyến và cả những chớp vô tuyến dị thường. Nguyên nhân phát ra những bức xạ vô tuyến này là từ trường quay của hành tinh.[51] Trong dải phổ hồng ngoại, những cơn bão trên khí quyển Sao Hải Vương sáng hơn hẳn những tầng mây lạnh xung quanh, và cho phép các nhà thiên văn đo được hình dạng và kích thước của những cơn bão.[130]