天王星(Uranus)是太陽系由內向外的第七顆行星(18.37~20.08天文單位)， 其體積在太陽系中排名第三(比海王星大)， 品質排名第四(小於海王星)， 幾乎橫躺著圍繞太陽公轉。
天王星大氣的主要成分是氫和氦， 還包含較高比例的由水、氨、甲烷等結成的"冰"， 與可以探測到的碳氫化合物。 天王星是太陽系內大氣層最冷的行星， 最低溫度只有49K(-224℃)。 其外部的大氣層具有複雜的雲層結構， 水在最低的雲層內， 而甲烷組成最高處的雲層。 相比較而言， 天王星的內部則是由冰和岩石所構成。 天王星的英文名稱Uranus來自古希臘神話中的天空之神烏拉諾斯(Οὐρανός)， 是克洛諾斯的父親， 宙斯的祖父。 與在古代就為人們所知的五顆行星(水星、金星、火星、木星、土星)相比， 天王星的亮度也是肉眼可見的， 但由於亮度較暗、繞行速度緩慢並且由於當時望遠鏡觀測能力不足， 未被古代的觀測者認定為一顆恒星。
天王星在被發現是行星之前， 已經被觀測了很多次， 但都把它當作恒星看待。 最早的紀錄可以追溯至1690年約翰·佛蘭斯蒂德在星表中將他編為金牛座34，
威廉·赫歇爾在1781年3月13日于他位於索美塞特巴恩鎮新國王街19號自宅的庭院中觀察到這顆行星（赫歇爾天文博物館）， 但在1781年4月26日最早的報告中他稱之為彗星。 赫歇爾用他自己設計的望遠鏡“對這顆恒星做了一系列視差的觀察”。 他在他的學報上的紀錄著：“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星雲樣的星或者是一顆彗星”。 在3月17日， 他注記著：“我找到一顆彗星或星雲狀的星， 並且由他的位置變化發現是一顆彗星”。 當他將發現提交給皇家學會時， 雖然含蓄的認為比較像行星， 但仍然聲稱是發現了彗星：
天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成， 其組成主要元素為氫（83%）， 其次為氦（15%）。 在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同， 其性質比較接近木星與土星的地核部分， 而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。
天王星的品質大約是地球的14.5倍， 是類木行星中品質最小的， 他的密度是1.29公克/釐米³只比土星高一些。 直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍）， 但品質較低。 這些數值顯示他主要由各種各樣揮發性物質， 例如水、氨和甲烷組成。 天王星內部冰的總含量還不能精確的知道， 根據選擇的模型不同有不同的含量， 但是總在地球品質的9.3 至13.5倍之間。 氫和氦在全體中只占很小的部分， 大約在0.5至1.5地球品質。 剩餘的品質（0.5至3.7地球品質）才是岩石物質。
天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，中間是冰的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球品質，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，品質大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對上是不明確的，大約擴展佔有剩餘20%的半徑，但品質大約只有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9克/釐米³，在核和地函交界處的壓力是800萬巴和大約5,000K的溫度。冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水-氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將她們分開另成一類為冰巨星。
上面所考慮的模型或多或少都是標準的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和岩石混合在地函中，則冰的總量就會減少，並且相對的岩石和氫的總量就會提高；可利用的資料還不足以讓我門確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。但是，為便於扁球體的轉動，在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時，他的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20 公里。這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。
天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，他是低熱流量。仍不瞭解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外（也就是熱輻射）的部分釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上，天王星的熱流量只有 0.042 ±0.047w/m²，遠低於地球內的熱流量0.075w/m²。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。
在天王星被超重品質的錘碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。
海洋
根據旅行者2號的探測結果，科學家推測天王星上可能有一個深度達一萬公里、溫度高達6650℃，由水、矽、鎂、含氮分子、碳氫化合物及離子化物質組成的液態海洋。由於天王星上巨大而沉重的大氣壓力，令分子緊靠在一起，使得這高溫海洋未能沸騰及蒸發。反過來，正由於海洋的高溫，恰好阻擋了高壓的大氣將海洋壓成固態。海洋從天王星高溫的內核（高達攝氏6650度）一直延伸到大氣層的底部，覆蓋整個天王星。必須強調的是，這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。然而，卻有觀點認為，天王星上不存在這個海洋。真相如何，恐怕只有待進一步的觀測，或是寄望美國國家航空航天局（NASA）會落實初步構想中的新視野號2號計畫，派出無人探測船再度拜訪天王星。
在旅行者2號抵達之前，天王星的磁層從未被測量過，因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前，因為天王星的自轉軸就躺在黃道上，天文學家盼望能根據太陽風測量到天王星的磁場。
航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的，一是他不在行星的幾何中心，再者他相對於自轉軸傾斜59°。事實上，磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的1/3。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1 高斯；在表面的平均強度是0.23 高斯。與地球的磁場比較，兩極的磁場強度大約是相等的，並且"磁赤道"大致上也與物理上的赤道平行，天王星的偶極矩是地球的50倍。海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假說認為，不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的，冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的，例如水-氨的海洋。
儘管有這樣奇特的準線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位於23個天王星半徑之處有弓形震波，磁層頂在18個天王星半徑處，充分發展完整的磁尾和輻射帶。綜上所論，天王星的磁層結構不同於木星的，而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公里，並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側，像是拔瓶塞的長螺旋杆。
天王星的磁層包含帶電粒子：質子和電子，還有少量的H2+離子，未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內。離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。在磁層內側的低能量（低於100 電子伏特）離子的密度大約是2 釐米⁻³。微粒的分佈受到天王星衛星強烈的影響，在衛星經過之後，磁層內會留下值得注意的空隙。微粒流量的強度在10萬年的天文學時間尺度下，足以造成衛星表面變暗或是太空風暴。這或許就是造成衛星表面和環均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發達的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。但是，不同於木星的是，天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。
20世紀80年代，“旅行者2號”開始對天王星、海王星進行考察，使得人們有可能將這兩個行星的磁場繪製成圖。結果是出人意料的。大多數行星都有南極和北極兩極磁場。地球的磁極位於極地附近，與地球的南北極存在一個偏角，稱為磁偏角，二者交角為11.5°。其他許多行星，包括木星、土星和木星的衛星“伽裡米德”都與地球類似。比如木星的磁偏角是10°，與地球相近。然而海王星和天王星的磁場與其他行星的情況大相徑庭，它們的磁場有多個極，而且磁偏角很大，分別是47°和59°。科學家曾提出若干機制來解釋這些異常的磁場，但都沒有達成共識。
科學家曾猜想這可能是兩個行星的薄外殼迴圈流動的結果，而這個外殼是由水、甲烷、氨和硫化氫組成的帶電流體。現今，美國哈佛大學薩賓-斯坦利和傑瑞米-布洛克哈姆利用一個數學模型檢驗了這個理論，指出產生磁場的迴圈層是天王星、海王星的薄外殼，而不像地球那樣，是位於接近地球核心的外核。他們同時指出薄外殼的迴圈或對流運動實際上是行星產生怪異磁場的原因，因為這是行星中存在流動和運動的部分。
研究學者說，磁場是由行星中導電體的複雜流動運動產生的，這個過程被稱為“發電機效應”。
澳大利亞國家大學地磁學專家特德-裡雷說，這個研究結果意義非凡，但似乎並不是那麼讓人驚訝。“值得注意的是，我們生活的地球，它的磁場兩極與地球南北兩極大致重合，因此我們也希望在別的行星上發現類似的情況。”
裡雷說，“地球外核流體的運動產生了地磁場。雖然我們往往將磁和鐵聯繫在一起，但實際上，任何運動著的帶電流體都能產生磁場。對於行星，這首先取決於它是否存在流體以產生‘發電機效應’。地球存在外核流體，這兩個行星可能不存在流體，也可能存在流體。事實上它們似乎都存在導電性良好的流體，而且還受某種力量驅策處於運動狀態，這也是產生‘發電機效應’的必要條件。由於天王星和海王星產生‘發電機效應’的部位與地球的不同，以至於它們有如此不同的磁場，這就不足為奇了。”
與其他的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。當旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，總共觀察到了10個橫跨過整個行星的雲帶特徵。有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。在天王星記錄到的最低溫度是49 K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星。
雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙傳感量。遙傳感量的能力可以從1帕之處為起點向下深入至300公里，相當於100帕的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力1帕的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度300至50 公里，大氣壓100帕至0.1帕；平流層（同溫層），高度50至4000 公里，大氣壓力0.1帕至10⁻¹⁰ 帕；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中氣層（散逸層）。
天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫分子和氦。氦的摩爾分數，這是每摩爾中所含有的氦原子數量，是0.15±0.03；在對流層的上層，相當於0.26±0.05品質百分比。這個數值很接近0.275±0.01的原恒星品質百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中，含量占第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或深藍的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷雲頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由於極端的低溫，降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高於太陽內的含量。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物，被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷(C₂H₆),乙炔(C₂H₂），甲基乙炔（CH₃C₂H），聯乙炔（C₂HC₂H）。光譜也揭露了水蒸汽的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。
對流層
對流層是大氣層最低和密度最高的部分，溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實的底部大約320 K，300公里，降低至53K，高度50 公里。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3 K。
對流層應該還有高度複雜的雲系結構，水雲被假設在大氣壓力50至100帕，氨氫硫化物雲在20至40 帕的壓力範圍內，氨或氫硫化物雲在3和10帕，最後是直接偵測到的甲烷雲在1 至2 帕。對流層是大氣層內動態非常充分的部分，展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化，將會在下面討論。
平流層
天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53 K上升至增溫層底的800至850 K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得注意。碳氫化合物相對來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是10微帕至0.1微帕，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔和乙烷，相對於氫的混合比率是×10⁷，與甲烷和一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數量級。乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂傾向于凝聚而形成數層陰霾的雲層，那些也可能被視為出天王星上的雲帶。然而，碳氫化合物集中在在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要低是值得注意的。
增溫層
天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850 K。仍不瞭解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源，但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動都不足以提供所需的能量。除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公里，天王星半徑的倆倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒，導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據2,000 至10,000 公里的高度。天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區域，它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。
折疊自轉軸
天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達98°，這使他的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒而被輾壓過去的球。當天王星在至日前後時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區；其餘地區則是長晝或長夜，沒有日夜交替。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42 年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近晝夜平分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似，在2007年12月7日，天王星經過日夜平分點。
泥土埋藏酒
天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，中間是冰的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球品質，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，品質大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對上是不明確的，大約擴展佔有剩餘20%的半徑，但品質大約只有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9克/釐米³，在核和地函交界處的壓力是800萬巴和大約5,000K的溫度。冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水-氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將她們分開另成一類為冰巨星。
上面所考慮的模型或多或少都是標準的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和岩石混合在地函中，則冰的總量就會減少，並且相對的岩石和氫的總量就會提高；可利用的資料還不足以讓我門確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。但是，為便於扁球體的轉動，在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時，他的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20 公里。這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。
天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，他是低熱流量。仍不瞭解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外（也就是熱輻射）的部分釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上，天王星的熱流量只有 0.042 ±0.047w/m²，遠低於地球內的熱流量0.075w/m²。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。
在天王星被超重品質的錘碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。
海洋
根據旅行者2號的探測結果，科學家推測天王星上可能有一個深度達一萬公里、溫度高達6650℃，由水、矽、鎂、含氮分子、碳氫化合物及離子化物質組成的液態海洋。由於天王星上巨大而沉重的大氣壓力，令分子緊靠在一起，使得這高溫海洋未能沸騰及蒸發。反過來，正由於海洋的高溫，恰好阻擋了高壓的大氣將海洋壓成固態。海洋從天王星高溫的內核（高達攝氏6650度）一直延伸到大氣層的底部，覆蓋整個天王星。必須強調的是，這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。然而，卻有觀點認為，天王星上不存在這個海洋。真相如何，恐怕只有待進一步的觀測，或是寄望美國國家航空航天局（NASA）會落實初步構想中的新視野號2號計畫，派出無人探測船再度拜訪天王星。
在旅行者2號抵達之前，天王星的磁層從未被測量過，因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前，因為天王星的自轉軸就躺在黃道上，天文學家盼望能根據太陽風測量到天王星的磁場。
航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的，一是他不在行星的幾何中心，再者他相對於自轉軸傾斜59°。事實上，磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的1/3。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1 高斯；在表面的平均強度是0.23 高斯。與地球的磁場比較，兩極的磁場強度大約是相等的，並且"磁赤道"大致上也與物理上的赤道平行，天王星的偶極矩是地球的50倍。海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假說認為，不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的，冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的，例如水-氨的海洋。
儘管有這樣奇特的準線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位於23個天王星半徑之處有弓形震波，磁層頂在18個天王星半徑處，充分發展完整的磁尾和輻射帶。綜上所論，天王星的磁層結構不同於木星的，而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公里，並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側，像是拔瓶塞的長螺旋杆。
天王星的磁層包含帶電粒子：質子和電子，還有少量的H2+離子，未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內。離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。在磁層內側的低能量（低於100 電子伏特）離子的密度大約是2 釐米⁻³。微粒的分佈受到天王星衛星強烈的影響，在衛星經過之後，磁層內會留下值得注意的空隙。微粒流量的強度在10萬年的天文學時間尺度下，足以造成衛星表面變暗或是太空風暴。這或許就是造成衛星表面和環均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發達的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。但是，不同於木星的是，天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。
20世紀80年代，“旅行者2號”開始對天王星、海王星進行考察，使得人們有可能將這兩個行星的磁場繪製成圖。結果是出人意料的。大多數行星都有南極和北極兩極磁場。地球的磁極位於極地附近，與地球的南北極存在一個偏角，稱為磁偏角，二者交角為11.5°。其他許多行星，包括木星、土星和木星的衛星“伽裡米德”都與地球類似。比如木星的磁偏角是10°，與地球相近。然而海王星和天王星的磁場與其他行星的情況大相徑庭，它們的磁場有多個極，而且磁偏角很大，分別是47°和59°。科學家曾提出若干機制來解釋這些異常的磁場，但都沒有達成共識。
科學家曾猜想這可能是兩個行星的薄外殼迴圈流動的結果，而這個外殼是由水、甲烷、氨和硫化氫組成的帶電流體。現今，美國哈佛大學薩賓-斯坦利和傑瑞米-布洛克哈姆利用一個數學模型檢驗了這個理論，指出產生磁場的迴圈層是天王星、海王星的薄外殼，而不像地球那樣，是位於接近地球核心的外核。他們同時指出薄外殼的迴圈或對流運動實際上是行星產生怪異磁場的原因，因為這是行星中存在流動和運動的部分。
研究學者說，磁場是由行星中導電體的複雜流動運動產生的，這個過程被稱為“發電機效應”。
澳大利亞國家大學地磁學專家特德-裡雷說，這個研究結果意義非凡，但似乎並不是那麼讓人驚訝。“值得注意的是，我們生活的地球，它的磁場兩極與地球南北兩極大致重合，因此我們也希望在別的行星上發現類似的情況。”
裡雷說，“地球外核流體的運動產生了地磁場。雖然我們往往將磁和鐵聯繫在一起，但實際上，任何運動著的帶電流體都能產生磁場。對於行星，這首先取決於它是否存在流體以產生‘發電機效應’。地球存在外核流體，這兩個行星可能不存在流體，也可能存在流體。事實上它們似乎都存在導電性良好的流體，而且還受某種力量驅策處於運動狀態，這也是產生‘發電機效應’的必要條件。由於天王星和海王星產生‘發電機效應’的部位與地球的不同，以至於它們有如此不同的磁場，這就不足為奇了。”
與其他的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。當旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，總共觀察到了10個橫跨過整個行星的雲帶特徵。有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。在天王星記錄到的最低溫度是49 K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星。
雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙傳感量。遙傳感量的能力可以從1帕之處為起點向下深入至300公里，相當於100帕的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力1帕的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度300至50 公里，大氣壓100帕至0.1帕；平流層（同溫層），高度50至4000 公里，大氣壓力0.1帕至10⁻¹⁰ 帕；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中氣層（散逸層）。
天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫分子和氦。氦的摩爾分數，這是每摩爾中所含有的氦原子數量，是0.15±0.03；在對流層的上層，相當於0.26±0.05品質百分比。這個數值很接近0.275±0.01的原恒星品質百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中，含量占第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或深藍的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷雲頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由於極端的低溫，降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高於太陽內的含量。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物，被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷(C₂H₆),乙炔(C₂H₂），甲基乙炔（CH₃C₂H），聯乙炔（C₂HC₂H）。光譜也揭露了水蒸汽的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。
對流層
對流層是大氣層最低和密度最高的部分，溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實的底部大約320 K，300公里，降低至53K，高度50 公里。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3 K。
對流層應該還有高度複雜的雲系結構，水雲被假設在大氣壓力50至100帕，氨氫硫化物雲在20至40 帕的壓力範圍內，氨或氫硫化物雲在3和10帕，最後是直接偵測到的甲烷雲在1 至2 帕。對流層是大氣層內動態非常充分的部分，展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化，將會在下面討論。
平流層
天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53 K上升至增溫層底的800至850 K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得注意。碳氫化合物相對來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是10微帕至0.1微帕，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔和乙烷，相對於氫的混合比率是×10⁷，與甲烷和一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數量級。乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂傾向于凝聚而形成數層陰霾的雲層，那些也可能被視為出天王星上的雲帶。然而，碳氫化合物集中在在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要低是值得注意的。
增溫層
天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850 K。仍不瞭解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源，但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動都不足以提供所需的能量。除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公里，天王星半徑的倆倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒，導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據2,000 至10,000 公里的高度。天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區域，它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。
折疊自轉軸
天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達98°，這使他的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒而被輾壓過去的球。當天王星在至日前後時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區；其餘地區則是長晝或長夜，沒有日夜交替。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42 年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近晝夜平分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似，在2007年12月7日，天王星經過日夜平分點。
泥土埋藏酒