Sao Hải Vương (vòng đỏ) hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt Trời hết 164,79 vòng quỹ đạo Trái Đất. Sao Thiên Vương có màu xanh.

Khoảng cách trung bình giữa Sao Hải Vương và Mặt Trời là 4,5 tỷ km (khoảng 30,1 AU), và chu kỳ quỹ đạo bằng 164,79 năm Trái Đất thay đổi trong khoảng ±0,1 năm.

Ngày 11 tháng 7 năm 2011, Sao Hải Vương đã hoàn thành hết một vòng quỹ đạo quanh khối tâm với Mặt Trời kể từ khi phát hiện ra hành tinh năm 1846.[92][93] Nó không xuất hiện tại đúng vị trí trên bầu trời lúc nó được phát hiện bởi vì Trái Đất đã ở vị trí khác trong quỹ đạo 365,25 ngày. Do Mặt Trời cũng chuyển động so với khối tâm của toàn Hệ Mặt Trời nên ngày 11 tháng 7 Sao Hải Vương cũng không ở vị trí chính xác tương đối so với Mặt Trời ở thời điểm phát hiện ra nó. Nếu chúng ta sử dụng hệ tọa độ có Mặt Trời tại tâm, thì ngày hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo của Sao Hải Vương là 12 tháng 7 năm 2011.[4][94][95]

Mặt phẳng quỹ đạo elip của Sao Hải Vương nghiêng 1,77° so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất. Do độ lệch tâm quỹ đạo của nó bằng 0,011 nên khoảng cách tới Mặt Trời thay đổi trong phạm vi 101 triệu km giữa cận điểm và viễn điểm quỹ đạo.[96]

Trục tự quay của Sao Hải Vương nghiêng 28,32°,[97] xấp xỉ gần bằng so với của Trái Đất (23°) và Sao Hỏa (25°). Vì thế nó là hành tinh có sự thay đổi thời tiết giữa các mùa. Do chu kỳ quỹ đạo lớn, cho nên mỗi mùa của hành tinh diễn ra trong vòng 40 năm Trái Đất.[77] Chu kỳ sao (ngày) của hành tinh gần bằng 16,11 giờ.[4] Do trục quay hành tinh nghiêng tương tự như của Trái Đất, sự biến đổi trong thời gian của một "ngày" Sao Hải Vương không thay đổi đáng kể trong một "năm" của hành tinh.

Bởi vì Sao Hải Vương không phải là một quả cầu rắn, bầu khí quyển của nó thể hiện sự quay vi sai. Vùng xích đạo của khí quyển có chu kỳ quay 18 giờ, chậm hơn chu kỳ quay 16,1 giờ của từ trường hành tinh. Ngược lại, chu kỳ quay của hai vùng cực bằng 12 giờ. Sự khác nhau trong chu kỳ quay của khí quyển giữa các vùng là nổi bật nhất trong khí quyển của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời,[98] và kết quả của sự khác biệt này đó là áp lực cắt của gió dọc theo vĩ độ là rất lớn.[52]

Cộng hưởng quỹ đạo

Minh họa những quỹ đạo cộng hưởng trong vành đai Kuiper do ảnh hưởng của Sao Hải Vương: đường nâu sáng có cộng hưởng 2:3 (plutinos), "vành đai cổ điển" (cubewanos), và đường nâu sẫm cộng hưởng 1:2 (twotino.

Quỹ đạo của Sao Hải Vương có ảnh hưởng lớn đến những vùng bên ngoài quỹ đạo hành tinh này, như vành đai Kuiper. Vành đai Kuiper là một khu vực bao gồm những thiên thạch băng nhỏ, tiểu hành tinh tương tự như vành đai tiểu hành tinh nhưng ở xa hơn, nằm ở phạm vi từ quỹ đạo Sao Hải Vương 30 AU cho đến bán kính 55 AU tính từ Mặt Trời.[99] Tương tụ như ảnh hưởng hấp dẫn của Sao Mộc lên cấu trúc của vành đai tiểu hành tinh, lực hấp dẫn của Sao Hải Vương cũng thống trị vành đai Kuiper. Theo thời gian, những vùng trong vành đai Kuiper trở lên mất ổn định bởi lực hút từ Sao Hải Vương, dần dần tạo ra những khoảng trống trong cấu trúc vành đai Kuiper. Ví dụ như vùng có phạm vi 40 và 42 AU.[100]

Cũng tồn tại những quỹ đạo bên trong những vùng trống này nơi các vật thể có thể tồn tại lâu theo thời gian của Hệ Mặt Trời. Những quỹ đạo cộng hưởng xuất hiện khi chu kỳ quỹ đạo của Sao Hải Vương bằng tỷ lệ chính xác với chu kỳ quỹ đạo của vật thể đó, như 1:2 hoặc 3:4. Hay, nếu một vật thể quay quanh được một vòng quanh Mặt Trời thì Sao Hải Vương đã quay được 2 vòng, và như vậy vật thể đó chỉ hoàn thành được một nửa quỹ đạo khi Sao Hải Vương hoàn thành 1 chu kỳ quỹ đạo của nó. Tỷ số cộng hưởng mà nhiều vật thể trong vành đai Kuiper có quỹ đạo cộng hưởng với Hải Vương Tinh, với trên 200 vật thể đã biết trong vành đai,[101] là cộng hưởng 2:3. Những vật theo cộng hưởng này sẽ hoàn thành 2 vòng quỹ đạo khi Sao Hải Vương hoàn thành 3 vòng quỹ đạo, và các nhà khoa học phân loại những vật thể này vào nhóm plutino bởi vì thiên thể lớn nhất trong nhóm này của vành đai Kuiper là Pluto.[102] Mặc dù quỹ đạo của Pluto cắt qua quỹ đạo của Sao Hải Vương, cộng hưởng 2:3 đảm bảo rằng chúng không bao giờ va chạm vào nhau.[103] Cũng tồn tại những quỹ đạo cộng hưởng 3:4, 3:5, 4:7 và 2:5 nhưng có ít vật thể có quỹ đạo với tỷ số cộng hưởng này.[104]

Sao Hải Vương có một số thiên thể Troia nằm ở điểm Lagrange L4 và L5 trong hệ Sao Hải Vương—Mặt Trời, vùng cân bằng bền của trường lực hấp dẫn đi trước và sau hành tinh trên cùng quỹ đạo của nó.[105] Các thiên thể Troia của Sao Hải Vương có thể coi là những thiên thể có cộng hưởng quỹ đạo 1:1 với Sao Hải Vương. Một số thiên thể Troia tồn tại rất ổn định trong quỹ đạo của chúng, và dường như là đã hình thành cùng với Sao Hải Vương hơn là bị hành tinh này bắt giữ. Vật thể đầu tiên tồn tại ở điểm Lagrange L5 đi theo sau Sao Hải Vương là 2008 LC18.[106] Sao Hải Vương cũng có những vệ tinh giả tạm thời như, (309239) 2007 RW10.[107] Vật thể này trở thành vệ tinh giả của Sao Hải Vương trong 12.500 năm trước và có lẽ sẽ tồn tại trong trạng thái như vậy trong 12.500 năm nữa. Nó có thể là một vật thể bị bắt giữ.[108]