Sao Hải Vương có 14 vệ tinh đã biết.[6][115] Vệ tinh lớn nhất của nó, Triton chiếm hơn 99,5% khối lượng của toàn bộ các vật thể quay quanh Sao Hải Vương[116] và là vệ tinh duy nhất có hình cầu. Triton do nhà thiên văn học William Lassell phát hiện ra chỉ 17 ngày sau khi Galle và d'Arrest phát hiện Sao Hải Vương. Không giống như những vệ tinh lớn trên các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời, Triton chuyển động trên quỹ đạo có hướng ngược với chiều tự quay của Sao Hải Vương (quỹ đạo nghịch hành), và có khả năng nó bị hành tinh bắt giữ hơn là hình thành cùng với Sao Hải Vương; vệ tinh này có thể từng là một hành tinh lùn trong vành đai Kuiper.[117] Quỹ đạo Triton rất gần với Sao Hải Vương khiến nó bị khóa quay đồng bộ (tự quay quanh trục), và đang rơi xoắn ốc chậm dần về phía hành tinh do gia tốc thủy triều. Cuối cùng vệ tinh này sẽ bị vỡ nát trong khoảng 3,6 tỷ năm nữa, khi quỹ đạo của nó đến giới hạn Roche, nơi lực thủy triều của hành tinh xé nát Triton ra.[118] Năm 1989, Triton là vệ tinh lạnh nhất trong Hệ Mặt Trời từng được đo,[119] với nhiệt độ bề mặt của nó bằng −235 °C (38 K).[120]

Vệ tinh thứ hai của Sao Hải Vương (theo thứ tự phát hiện), là vệ tinh dị hình Nereid, với quỹ đạo là một trong những quỹ đạo lệch tâm nhất trong các vệ tinh của các hành tinh thuộc Hệ Mặt Trời. Độ lệch tâm quỹ đạo 0,7512 khiến viễn điểm quỹ đạo bằng 7 lần cận điểm quỹ đạo tính tới Sao Hải Vương.[121]

Từ tháng 7 đến tháng 9 năm 1989, Voyager 2 phát hiện ra sáu vệ tinh mới của Sao Hải Vương.[122] Trong số chúng, nổi bật là vệ tinh dị hình Proteus với khối lượng không đủ để nó có dạng hình cầu.[123] Tuy nó là vệ tinh có khối lượng lớn thứ hai của Sao Hải Vương, nhưng khối lượng chỉ bằng 0,25% khối lượng Triton. Bốn vệ tinh trong cùng của hành tinh—Naiad, Thalassa, Despina và Galatea— có quỹ đạo nằm trong các vành đai của Sao Hải Vương. Vệ tinh nằm xa nhất, Larissa, khám phá từ năm 1981 khi nó che khuất một ngôi sao. Sự che khuất này cũng khiến các nhà thiên văn cho rằng họ đã phát hiện ra thêm một cung vành đai, nhưng khi Voyager 2 bay qua Sao Hải Vương năm 1989, thì cung vành đai này là do vệ tinh Larissa gây ra. 5 vệ tinh dị hình mới phát hiện trong các năm 2002 và 2003 được công bố vào năm 2004.[124][125] Do hành tinh mang tên vị thần biển cả của người La Mã, tên gọi các vệ tinh của nó cũng mang tên các vị thần biển khác.[36]

Vệ tinh mới nhất và nhỏ nhất, S/2004 N 1, được kính thiên văn Hubble phát hiện vào năm 2013 có đường kính nhỏ hơn 20 km.[115]