Trước khi Voyager 2 bay qua hành tinh, chưa có một đo lường nào về từ quyển của Sao Thiên Vương, và vì vậy bản chất và tính chất của nó là một bí ẩn. Trước năm 1986, các nhà thiên văn nghĩ rằng từ trường của Sao Thiên Vương phải gióng theo gió Mặt Trời, vì thông thường từ trường hướng theo phương của hai cực hành tinh theo đường Hoàng Đạo.[86]

Dữ liệu tàu Voyager gửi về cho thấy từ trường của hành tinh rất kỳ lạ, bởi vì trục từ trường không đi qua khối tâm của hành tinh, và bởi vì nó nghiêng 59° so với trục tự quay.[86][87] Thực tế lưỡng cực từ bị lệch khỏi tâm hành tinh về phía cực nam một khoảng bằng một phần ba bán kính hành tinh (xem hình bên).[86] Sự lệch hình học này gây ra một từ quyển hành tinh bất đối xứng, với cường độ từ trường tại bề mặt của bán cầu nam thấp bằng 0,1 gauss (10 µT), trong khi bán cầu bắc có giá trị cao tới 1,1 gauss (110 µT).[86] Cường độ trung bình tại bề mặt hành tinh bằng 0,23 gauss (23 µT).[86] Để so sánh, từ trường Trái Đất mạnh gần ở các cực từ của nó, và "xích đạo từ" gần song song với xích đạo địa lý của Trái Đất.[87] Mô men lưỡng cực từ của từ trường Sao Thiên Vương bằng 50 lần so với của Trái Đất.[86][87] Sao Hải Vương cũng có từ trường lệch hình học và nghiêng tương tự như của Thiên Vương Tinh, gợi ra rằng có thể đây là đặc điểm chung của các hành tinh băng đá khổng lồ.[87] Có một giả thuyết giải thích cho từ trường của hành tinh, đó là không giống như từ trường của các hành tinh đất đá và hành tinh khí khổng lồ, mà sinh ra từ sự hoạt động dynamo của lõi, từ trường của các hành tinh băng đá khổng lồ là do chuyển động của những lớp phủ tương đối nông, ví dụ trong đại dương nước–amoniac.[56][88]

Mặc dù có sự lệch kỳ lạ như vậy, những đặc điểm khác của từ quyển cũng giống như đối với các hành tinh khác: nó có một vùng sốc hình cung (bow shock) nằm phía trước Sao Thiên Vương ở khoảng cách 23 lần bán kính hành tinh, vùng tiếp giáp giữa từ quyển và gió Mặt Trời (magnetopause) nằm ở khoảng cách 18 lần bán kính Sao Thiên Vương, hành tinh cũng có đuôi từ (magnetotail) đầy đủ và vành đai bức xạ.[86][87][89] Trên tổng thể, cấu trúc của từ trường Sao Thiên Vương khác so với của Sao Mộc nhưng khá giống với của Sao Thổ.[86][87] Đuôi từ của hành tinh kéo dài ra sau nó hàng triệu kilômét và có hình xoắn ốc.[86][90]

Trong từ quyển Sao Thiên Vương có các hạt tích điện: proton và electron với một lượng nhỏ ion H2+.[87][89] Các nhà khoa học không phát hiện ra những ion nặng hơn. Đa số những ion này có lẽ hình thành từ vành nhật hoa khí quyển nóng của hành tinh.[89] Năng lượng của ion và electron có thể cao tới lần lượt 4 và 1,2 MeV.[89] Mật độ của những ion năng lượng thấp hơn (dưới 1 keV) ở bên trong từ quyển là 2 cm−3.[91] Sự phân bố của những hạt ion bị ảnh hưởng mạnh bởi các vệ tinh Sao Thiên Vương khi chúng quét qua từ quyển để lại một khoảng trống dễ nhận ra.[89] Thông lượng của các hạt ion đủ cao để làm tối hoặc phong hóa không gian (space weathering) bề mặt các vệ tinh "khá nhanh" trong 100.000 năm nếu tính theo thang thời gian thiên văn học.[89] Đây có thể là nguyên nhân làm đa số bề mặt các vệ tinh và vành đai của Sao Thiên Vương có màu tối.[78] Hành tinh cũng có hiện tượng cực quang, hiện lên với những cung sáng ở gần hai vùng cực từ.[73] Không giống như Sao Mộc, cực quang của Sao Thiên Vương dường như nhỏ không có ảnh hưởng đến mức cân bằng năng lượng của tầng nhiệt hành tinh.[76]