Voyager 2 tiếp cận Sao Hải Vương gần nhất vào ngày 25 tháng 8 năm 1989. Do đây là hành tinh lớn cuối cùng mà con tàu viếng thăm, các nhà quản lý chương trình quyết định cho con tàu bay qua vệ tinh Triton, vì họ không cần phải tính đến quỹ đạo tàu sau đó như thế nào, tương tự như tàu Voyager 1 bay qua Sao Thổ và thực hiện chuyến bay qua vệ tinh Titan. Những bức ảnh Voyager 2 gửi về Trái Đất trở thành nội dung chính cho một chương trình của đài PBS, Neptune All Night.[131]

Trong giai đoạn bay qua, tín hiệu từ Voyager 2 cần 246 phút để tới được Trái Đất. Do vậy, đa số tiến trình thực hiện của tàu là đã được lập trình sẵn trước đó từ mặt đất và gửi lên qua mạng lưới truyền tin không gian trước khi con tàu bay qua Sao Hải Vương. Voyager 2 cũng bay gần vệ tinh Nereid trước khi cách tầng trên khí quyển hành tinh ở khoảng cách 4.400 km vào ngày 25 tháng 8, và sau đó nó bay qua vệ tinh lớn nhất Triton trong cùng ngày.[132]

Voyager 2 cũng đo được từ trường bao quanh hành tinh và phát hiện ra trục từ trường lệch khỏi tâm Sao Hải Vương và nghiêng tương tự như trục từ trường của Sao Thiên Vương. Vấn đề chu kỳ tự quay của hành tinh cũng được xác định bằng cách đo chu kỳ phát ra bức xạ vô tuyến từ Sao Hải Vương. Voyager 2 cũng cho thấy hành tinh có bầu khí quyển hoạt động rất mạnh mẽ. Con tàu phát hiện ra thêm 6 vệ tinh mới, và thêm một vành đai mới.[58][132]

Năm 2003, có một đề xuất trong Kế hoạch các phi vụ trong tương lai của NASA nhằm phóng một tàu quỹ đạo Sao Hải Vương mang theo một thiết bị thăm dò khí quyển giống như phi vụ Cassini. Chương trình do Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực JPL và Học viện công nghệ California hợp tác thực hiện, nhưng dự án đã không được phê chuẩn.[133]