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在古代人们就熟知五颗行星（水星、金星、火星、木星、土星），与它们相比，天王星的亮度也是肉眼可见的。但天王星亮度较暗、绕行速度缓慢，并且由于那时望远镜观测能力不足，被古代的观测者认定为是一颗恒星。天王星在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年约翰·佛兰斯蒂德（JohnFlamsteed），在星表中将其编为金牛座34（34Tauri），并且至少观测了6次。法国天文学家PierreCharlesLeMonnier在1750至1769年也至少观测了12次，包括一次连续四夜的观测。
威廉·赫歇尔在1781年3月13日于他位于英格兰萨默塞特郡巴斯城新国王街19号（现为赫歇尔天文博物馆）自宅的庭院中观察到这颗行星，但在1781年4月26日最早的报告中他称之为彗星。赫歇尔用他自己设计的望远镜“对这颗恒星做了一系列视差的观察”。他在他的学报上的记录着：“在与金牛座ζ成90°的位置……有一个星云样的恒星或者是一颗彗星。”在3月17日，他注记着：“我找到一颗彗星或星云状的星，并且由他的位置变化发现是一颗彗星。”当他将发现提交给皇家学会时，虽然含蓄的认为比较像行星，但仍然声称是发现了彗星：“当我首次看到这颗彗星时，我所使用的光学倍率是227。从经验中我知道，恒星直径不会随光学倍率成比例放大，如行星那样；因此我将倍率设成460与932，结果发现彗星直径随光学倍率成比例放大，如同它应该在它不是颗恒星的推测下，而我比较过的恒星直径不会以相同比率增加。更进一步说，被光学放大的彗星已远超过其光度所允许，它看来在强大倍率下朦胧且不清楚，而根据我几千次观测我知道（在这情况下）这些恒星会保留其光泽与清晰。结果显示我所臆测的有充足根据，这证明是我们最近观察的彗星。”
赫歇尔将他的发现通知皇家天文学家内维尔·马斯基林（NevilMaskelyne），4月23日收到信件的马斯基林语无伦次的回复说：“我不知该如何称呼它，它在接近圆形的轨道上移动很像一颗行星，而彗星是在很扁的椭圆轨道上移动。我也没有看见彗发或彗尾。“当赫歇尔继续谨慎的以彗星描述他的新对象，其他的天文学家已经开始做不同的怀疑。芬兰-瑞典天文学家安德斯·约翰·莱克塞尔（AndersJohanLexell）估计它至太阳的距离是地球至太阳的18倍，而没有彗星曾在近日点四倍于地球至太阳距离之外被观测到。柏林天文学家约翰·波得（JohannElertBode）描述赫歇尔的发现像是“在土星轨道之外的圆形轨道上移动的恒星，可以被视为迄今仍未知的像行星的天体”。波得断定这个以圆轨道运行的天体比彗星更像是一颗行星。这个天体很快便被接受是一颗行星。在1783年，法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-SimonLaplace）证实赫歇尔发现的是一颗行星。赫歇尔本人也向英国皇家学会的主席约瑟夫·班克斯（JosephBanks）承认这个事实：“经由欧洲最杰出的天文学家观察，显示这颗新的星星，我很荣誉的在1781年3月指认出的，是太阳系内主要的行星之一。”
为此，威廉·赫歇尔被英国皇家学会授予科普利奖章。英国国王乔治三世依据他的成就，给予赫歇尔每年200英镑的年薪（相当于2019年的24000英镑），并要求他移居至温莎城堡附近，好让皇室家族成员有机会使用他的望远镜观星。
马斯基林曾这样的问赫歇尔：“帮天文学世界一个忙，为您的行星取个名字，这也完全是为了您所爱的，并且也是我们迫切期望您为您的发现所做的。”回应马基斯林的请求，赫歇尔决定命名为“乔治之星（GeorgiumSidus或GeorgianPlanet）以纪念他的新赞助人——乔治三世。他在给约瑟夫·班克斯的信件中解释道：“在古老的神话蛮荒世纪，我们赋予行星名称墨丘利（Mercury）、维纳斯（Venus）、玛尔斯（Mars）、朱庇特（Jupiter）与萨图恩（Saturn）以表彰当时最具分量的的英雄及神祇。在身处现今更为理性开化的纪元，我们将很难如法泡制将新发现的天体称为朱诺（Juno）、帕拉斯（Pallas）、阿波罗（Apollo）或密涅瓦（Minerva）。如果任何未来世纪的天文学家问我：当这个刚刚找到的行星发现时，照您的年表有没有任何特别显著的事件首先列入考虑表扬。我将会很满意的回答：‘在乔治三世（四海升平）的统治下’。“
八大行星中仅有天王星的英文名称Uranus取自希腊神话而非罗马神话。希腊神话中的天空之神乌拉诺斯（Uranus），是农神克洛诺斯（Cronus）的父亲，众神之王宙斯（Zeus）的祖父，这三代主神分别相当于罗马神话中的凯路斯（Caelus，未被天体使用），萨图恩（Saturn，土星的名称），朱庇特（Jupiter，木星的名称）。
法国天文学家杰罗姆·拉兰德（JerômeLalande）曾建议将这颗行星称为赫歇尔以尊崇它的发现者。但是，德国天文学家约翰·波得（JohannElertBode）赞成用希腊神话中的Uranus命名。波得的观点是克洛诺斯是宙斯的父亲（萨图恩是朱庇特的父亲），新的行星则应该取名为克洛诺斯的父亲——乌拉诺斯。Uranus的名称最早是在赫歇尔过世一年之后的1823年才出现于官方文件中。乔治三世或“乔治之星”的名称在之后仍经常被使用（只在英国使用），直到1850年，英国航海星历局才换用Uranus的名称。之后，Uranus便成为普遍接受的名字。
天王星的形容词（Uranian）被铀的发现者MartinKlaproth用来命名在1789年新发现的元素。Uranus的重音在第一个音节，因为倒数第二个音a是短音（ūrănŭs）并且是开放的音节。这样的音节在拉丁文中从未被强调过，因此在传统上名字的正确发音是来自英语的[ˈjʊ.rə.nəs]。传统上不正确的发音，重音落在第二音节并且将a发成长音是很普通的。
天王星的天文学符号是⛢，综合了火星和太阳符号，因为天王星是希腊神话的天空之神，被认为是由太阳和火星联合的力量所控制的。天王星在占星学上的符号♅，是拉兰德在1784年建议的。在给赫歇尔的一封信中，拉兰德描述道“地球符号的上方放置着您姓氏的首字母”（"unglobesurmontéparlapremièrelettredevotrenom"）。1859年，清代天文学家李善兰在翻译约翰·赫歇尔所著的《天文学纲要》的译著《谈天》中，分别将Uranus与Neptune意译为天王星、海王星，此后广泛在中国、日本、韩国和越南等亚洲国家使用。
天王星每84个地球年环绕太阳公转一周，与太阳的平均距离大约30亿公里，阳光的强度只有地球的1/400。天王星的轨道参数在1783年首度被拉普拉斯计算出来，但随着时间，预测和观测的位置开始出现误差。在1841年，英国天文学家约翰·柯西·亚当斯（JohnCouchAdams）首先提出误差也许可以归结于一颗尚未被看见的行星的扰动。在1845年，法国天文教师勒维耶（UrbainLeVerrier）开始独立的进行天王星轨道的研究，在1846年9月23日，德国天文学家约翰·格弗里恩·伽勒（JohannGottfriedGalle）在勒维耶预测位置的附近发现了一颗新行星，稍后被命名为海王星。天王星内部的自转周期是17小时又14分，但和所有巨行星一样，天王星上部的大气层朝自转的方向可以体验到非常强的风。实际上，在有些纬度，像是从赤道到南极的2/3纬度上，可以看见移动得非常迅速的大气，只要14个小时就能完整的环绕行星自转一周。
从1995至2006年，天王星的视星等在+5.6至+5.9等之间，勉强在肉眼可见的+6.0等之上，它的角直径在3.4至3.7弧秒；比较土星是16至20弧秒，木星则是32至45弧秒。在冲的时候，天王星可以用肉眼在黑暗、无光污染的天空直接看见，即使在城市中也能轻易的使用双筒望远镜看见。使用物镜的口径在15至25厘米的大型业余天文望远镜，天王星将呈现苍白的深蓝色盘状与明显的周边昏暗；口径25厘米或更大的，云的型态和一些大的卫星，像是天卫三和天卫四，都有可能看见。
天王星的自转轴可以说是躺在轨道平面上的，倾斜的角度高达97.77°，这使得它的季节变化完全不同于其他的行星。其它行星的自转轴相对于太阳系的轨道平面都是朝上的，天王星的转动则像球一样侧着滚动。当天王星在至日前后时，一个极点会持续的指向太阳，另一个极点则背向太阳。只有在赤道附近狭窄的区域内可以体会到迅速的日夜交替，但太阳的位置非常的低，有如在地球的极区；其余地区则是长昼或长夜，没有日夜交替。运行到轨道的另一侧时，换成轴的另一极指向太阳；每一个极都会有被太阳持续的照射42年的极昼，而在另外42年则处于极夜。在接近昼夜平分点（分点）时，太阳正对着天王星的赤道，天王星的日夜交替会和其他的行星相似，在2007年12月7日，天王星经过分点。
天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢（83%），其次为氦（15%）。在许多方面天王星（海王星也是）与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面（主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成）。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察，天王星的表面呈现洋蓝色，这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所导致。
天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢（83%），其次为氦（15%）。在许多方面天王星（海王星也是）与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面（主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成）。天王星的质量大约是地球的14.5倍，是类木行星中质量最小的。它的密度是1.29公克/厘米³只比土星高一些，直径虽然与海王星相似（大约是地球的4倍），但质量较低。这些数值显示天王星主要由各种各样挥发性物质，例如水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总含量还不能精确的知道，根据选择的模型不同有不同的含量，但是总在地球质量的9.3至13.5倍之间。氢和氦在全体中只占很小的部分，大约在0.5至1.5地球质量。剩余的质量（0.5至3.7地球质量）才是岩石物质。
天王星的标准模型结构包括三个层面：在中心是岩石的核，中间是冰的地幔，最外面是氢/氦组成的外壳。相较之下核非常的小，只有0.55地球质量，半径不到天王星的20%；地幔则是个庞然大物，质量大约是地球的13.4倍；而最外层的大气层则相对上是不明确的，大约扩展占有剩余20%的半径，但质量大约只有地球的0.5倍。天王星核的密度大约是9g/cm³，在核和地幔交界处的压力是800万巴和大约5000K的温度。冰地幔实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成，而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性，有时被称为水–氨的海洋。天王星和海王星的大块结构与木星和土星相当的不同，冰的成分多于气体，因此有理由将她们分开另成一类为冰巨星。
上面所考虑的模型或多或少都是标准的，但是其他的模型也能满足观测的结果。例如，如果大量的氢和岩石混合在地幔中，则冰的总量就会减少，并且相对的岩石和氢的总量就会提高；可利用的数据还不足以让我门确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构意味着没有固体表面，气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是，为便于扁球体的转动，在大气压力达到1巴之处被定义和考虑为行星的表面时，天王星赤道半径和极半径分别是25559±4和24973±20公里。这样的表面将作为这篇文章中高度的零点。
天王星的内热看上去明显的比其他的类木行星为低，在天文的项目中，它是低热流量。仍不了解天王星内部的温度为何会如此低，大小和成分与天王星像是双胞胎的海王星，放出至太空中的热量是得自太阳的2.61倍；相反的，天王星几乎没有多出来的热量被放出。天王星在远红外（也就是热辐射）的部分释出的总能量是大气层吸收自太阳能量的1.06±0.08倍。事实上，天王星的热流量只有0.042±0.047w/m²，远低于地球内的热流量0.075w/m²。天王星对流层顶的温度最低温度纪录只有49K，使天王星成为太阳系温度最低的行星，比海王星还要冷。在天王星被超重质量天体撞击而造成自转轴极度倾斜的撞击假说中，也包含了内热的流失，因此留给天王星一个内热被耗尽的核心温度。另一种假说认为在天王星的内部上层有阻止内热传达到表面的障碍层存在，例如，对流也许仅发生在一组不同的结构之间，也许禁止热能向上传递。
根据旅行者2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达10000公里、温度高达6650℃，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，令分子紧靠在一起，使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来，正由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。海洋从天王星高温的内核（高达6650摄氏度）一直延伸到大气层的底部，覆盖整个天王星。必须强调的是，这种海洋与我们所理解的、地球上的海洋完全不同。也有观点认为，天王星上并不存在这种海洋。
据2015年英国《每日邮报》报道，科学家们在海王星和天王星研究方面取得进展，海王星和天王星上或覆盖有大片液态钻石海，海面上还漂浮着类似于冰山的、体积庞大的固体钻石。在进行了一系列实验之后，科学家得出上述结论，并认为这一发现可能有助于解释这两个星球的一些奇怪特性。在其中一项实验中，研究人员把钻石放在与海王星上一样的高温高压环境之下，检测钻石的变化。海王星的压力为地球零海拔的1100万倍，温度为5万摄氏度。实验结果显示，在压力提高至零海拔1100万倍时，钻石变成液态；之后再把温度提高至5万摄氏度后，部分液态钻石会再次变成固体。但奇怪的是，这些固态钻石会漂浮在液态钻石之上，就像是“钻石冰山”一样。科学家们认为，钻石海洋的说法解释了海王星和天王星磁极倾斜之谜，这两个星球的磁极偏离地理极60度左右。此外，这也解释了为什么海王星和天王星10%的表面成分为碳元素。
在旅行者2号抵达之后，天王星的磁层从未被测量过，因此很自然的还保持着神秘。在1986年之前，因为天王星的自转轴就躺在黄道上，天文学家盼望能根据太阳风测量到天王星的磁场。
旅行者2号的观测显示天王星的磁场是奇特的，一是他不在行星的几何中心，再者他相对于自转轴倾斜59°。事实上，磁极从行星的中心偏离往南极达到行星半径的1/3。这异常的几何关系导致一个非常不对称的磁层，在南半球的表面，磁场的强度低于0.1高斯，而在北半球的强度高达1.1高斯；在表面的平均强度是0.23高斯。与地球的磁场比较，两极的磁场强度大约是相等的，并且“磁赤道”大致上也与物理上的赤道平行，天王星的偶极矩是地球的50倍。
海王星也有一个相似的偏移和倾斜的磁场，因此有人认为这是冰巨星的共同特点。一种假说认为，不同于类地行星和气体巨星的磁场是由核心内部引发的，冰巨星的磁场是由相对于表面下某一深度的运动引起的，例如水–氨的海洋。尽管有这样奇特的准线，天王星的磁层在其他方面与一般的行星相似：在他的前方，位于23个天王星半径之处有弓形震波，磁层顶在18个天王星半径处，充分发展完整的磁尾和辐射带。综上所论，天王星的磁层结构不同于木星的，而比较像土星的。天王星的磁尾在天王星的后方延伸至太空中远达数百万公里，并且因为行星的自转被扭曲而斜向一侧，像是拔瓶塞的长螺旋杆。
天王星的磁层包含带电粒子：质子和电子，还有少量的H2+离子，未曾侦测到重离子。许多的这些微粒可能来自大气层热的晕内。离子和电子的能量分别可以高达4和1.2百万电子伏特。在磁层内侧的低能量（低于100电子伏特）离子的密度大约是2厘米-³。微粒的分布受到天王星卫星强烈的影响，在卫星经过之后，磁层内会留下值得注意的空隙。微粒流量的强度在10万年的天文学时间尺度下，足以造成卫星表面变暗或是太空风暴。这或许就是造成卫星表面和环均匀一致暗淡的原因。在天王星的两个磁极附近，有相对算是高度发达的极光，在磁极的附近形成明亮的弧。但是，不同于木星的是，天王星的极光对增温层的能量平衡似乎是无足轻重的。
与其它的气体巨星，甚至是与相似的海王星比较，天王星的大气层是非常平静的。当旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，总共观察到了10个横跨过整个行星的云带特征。有人提出解释认为这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。在天王星记录到的最低温度是49K，比海王星还要冷，使天王星成为太阳系温度最低的行星。虽然在天王星的内部没有明确的固体表面，天王星最外面的气体包壳，也就是被称为大气层的部分，却很容易以遥传感量。遥传感量的能力可以从1帕之处为起点向下深入至300公里，相当于100帕的大气压力和320K的温度。稀薄的晕从大气压力1帕的表面向外延伸扩展至半径两倍之处，天王星的大气层可以分为三层：对流层，从高度300至50公里，大气压100帕至0.1帕；平流层（同温层），高度50至4000公里，大气压力0.1帕至10-¹⁰帕；热层（增温层或晕），从4000公里向上延伸至距离表面50,000公里处。没有中间层和散逸层。
天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是氢分子和氦。氦的摩尔分数，这是每摩尔中所含有的氦原子数量，是0.15±0.03；在对流层的上层，相当于0.26±0.05质量百分比。这个数值很接近0.275±0.01的原恒星质量百分比。显示在气体的巨星中，氦在行星中是不稳定的。在天王星的大气层中，含量占第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可见和近红外的吸收带为天王星制造了明显的蓝绿或深蓝的颜色。在大气压力1.3帕的甲烷云顶之下，甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%，这个量大约是太阳的20至30倍。混合的比率在大气层的上层由于极端的低温，降低了饱合的水平并且造成多余的甲烷结冰。对低挥发性物质的丰富度，像是氨、水和硫化氢，在大气层深处的含量所知有限，但是大概也会高于太阳内的含量。除甲烷之外，在天王星的上层大气层中可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物，被认为是太阳的紫外线辐射导致甲烷光解产生的。包括乙烷（C₂H₆）、乙炔（C₂H₂）、甲基乙炔（CH₃C₂H）、联乙炔（C₂HC₂H）。光谱也揭露了水蒸汽的踪影，一氧化碳和二氧化碳在大气层的上层，但可能只是来自于彗星和其他外部天体的落尘。
对流层是大气层最低和密度最高的部分，温度随着高度增加而降低，温度从有名无实的底部大约320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在对流层顶实际的最低温度在49至57K，依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域，由此处测量到的有效温度是59.1±0.3K。对流层应该还有高度复杂的云系结构，水云被假设在大气压力50至100帕，氨氢硫化物云在20至40帕的压力范围内，氨或氢硫化物云在3和10帕，最后是直接侦测到的甲烷云在1至2帕。对流层是大气层内非常活跃的部分，表现出强风、亮云和季节性的变化。
天王星大气层的中层是平流层，此处的温度逐渐增加，从对流层顶的53K上升至增温层底的800至850K。平流层的加热来自甲烷和其他碳氢化合物吸收的太阳紫外线和红外线辐射，大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热也许也值得注意。碳氢化合物相对来说只是很窄的一层，高度在100至280公里，相对于气压是10微帕至0.1微帕，温度在75K和170K之间。含量最多的碳氢化合物是乙炔和乙烷，相对于氢的混合比率是×10⁷，与甲烷和一氧化碳在这个高度上的混合比率相似。更重的碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气，在混合的比率上还要低三个数量级。乙烷和乙炔在平流层内温度和高度较低处与对流层顶倾向于凝聚而形成数层阴霾的云层，那些也可能被视为出天王星上的云带。然而，碳氢化合物集中在在天王星平流层阴霾之上的高度比其他类木行星的高度要低是值得注意的。
天王星大气层的最外层是热层（增温层或晕），有着均匀一致的温度，大约在800至850K。仍不了解是何种热源支撑着如此的高温，虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源，但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射，或是极光活动都不足以提供所需的能量。除此之外，氢分子和增温层与晕拥有大比例的自由氢原子，她们的低分子量和高温可以解释为何晕可以从行星扩展至50000公里，天王星半径的俩倍远。这个延伸的晕是天王星的一个独特的特点。他的作用包括阻尼环绕天王星的小颗粒，导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层对应着天王星的电离层。观测显示电离层占据2000至10000公里的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高，这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域，它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动不如木星和土星的明显和重大。
在紫外线与可见光波段下与其他的气体巨星，甚至是与相似的海王星比较，天王星的大气层是非常平静的。当旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，总共观察到了10个横跨过整个行星的云带特征。有人提出解释认为这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。记录到天王星对流层顶的最低温度是49K，比海王星还要冷，使天王星成为太阳系温度最低的行星（原来九大行星中温度最低的冥王星已不再是行星）。
在1986年，旅行者2号发现可见的天王星南半球可以被细分成两个区域：明亮的极区和暗淡的赤道带状区。两这区的分界大约在纬度-45°的附近。一条跨越在-45°至-50°之间的狭窄带状物是在行星表面上能够看见的最亮的大特征，被称为南半球的“衣领”。极冠和衣领被认为是甲烷云密集的区域，位置在大气压力1.3至2帕的高度。很不幸的是，旅行者2号抵达时正是盛夏，而且观察不到北半球的部分。不过，从21世纪开始之际，北半球的“衣领”和极区就可以被哈勃太空望远镜和凯克望远镜观测到。结果，天王星看起来是不对称的：靠近南极是明亮的，从南半球的“衣领”以北都是一样的黑暗。天王星上之后可能出现的季节变化，将会被详细的讨论。天王星可以观察到的纬度结构和木星与土星是不同的，它们展现出许多条狭窄但色彩丰富的带状结构。
1990年代的高分辨率成像观测表明，亮云特征的数量有着明显的增长。它们多数都出现于北半球开始成为可以看见的区域。早期的解释—认为是亮云在行星黑暗的部分比较容易被分辨出来，而在南半球则被明亮的“衣领”掩盖掉—被证明是错误的，实际上特征数量已确实显著增加。不过，两个半球的亮云是有区别的，北半球的亮云较小、较尖锐和较明亮。它们看上去都躺在较高的高度。亮云的生命期有着极大的差异，一些小的只有几小时，而南半球至少有一个从旅行者飞掠过后仍一直存在着。最近的观察也发现，虽然天王星的气候较为平静，但天王星的亮云有许多特性与海王星相同。
追踪这些有特征的亮云，可以测量出天王星对流层上方的风是如何在极区咆哮。在赤道的风是退行的，意味着它们吹的方向与自转的方向相反，它们的速度从−100至−50米/秒。风速随着远离赤道的距离而增加，大约在纬度±20°静止不动，这儿也是对流层温度最低之处。再往极区移动，风向也转成与行星自转的方向一致，风速则持续增加，在北纬60°处达到最大值，然后下降至极区减弱为0。在南纬40°附近，风速从150到200米/秒，因为“衣领”盖过了所有平行的亮云，无法测量从哪儿到南极之间的风速。与北半球对照，风速在纬度+50°达到最大值，速度高达240米/秒。
2004年3月到5月这一短暂期间，很多片大块亮云出现天王星大气层里，这让天王星有着类似海王星般的外观。观察到229米/秒（824公里/时）的破表风速，和被称为“7月4日烟火”的雷雨风暴。2006年8月23日，科罗拉多州博尔德市太空科学学院和威斯康辛大学的研究员观察到天王星表面有一个大黑斑，让天文学家对天王星大气层的活动有更多的了解。虽然为何这突如其来活动暴涨的发生原因仍未被研究员所明了，但是它呈现了天王星极度倾斜的自转轴所带来的季节性的气候变化。要确认这种季节变化的本质是很困难的，因为对天王星大气层堪用的观察数据仍少于84年，也就是一个完整的天王星年。虽然已经有了一定数量的发现，光度学的观测已经累积了半个天王星年（从1950年代起算），在两个光谱带上的光度变化已经呈现了规律性的变化，最大值出现于至点，最小值出现于昼夜平分点。从1960年开始的微波观测，深入对流层的内部，也得到相似的周期变化，最大值也在至点。从20世纪70年代开始对平流层进行的温度测量也显示最大值出现于1986年的至日附近。多数的变化相信与可观察到的几何变化相关。
然而，有某些理由相信天王星物理性的季节变化也在发生。当南极区域变得明亮时，北极相对的呈现黑暗，这与上述概要性的季节变化模型是不符合的。在1944年抵达北半球的至点之前，天王星亮度急遽提升，显示北极不是永远黑暗的。这个现象意味着可以看见的极区在至日之前开始变亮，并且在昼夜平分点之后开始变暗。详细的分析可见光和微波的资料，显示亮度的变化周期在至点的附近不是完全的对称，这也显示出在子午圈上反照率变化的模式。最后，在20世纪90年代，在天王星离开至点的时期，哈柏太空望远镜和地基的望远镜显示南极冠出现可以察觉的变暗（南半球的“衣领”除外，它依然明亮），同时，北半球的活动也证实是增强了，例如云层的形成和更强的风，支持期望的亮度增加应该很快就会开始。
天王星物理变化的机制还不是很清楚，在接近至点，天王星的一个半球沐浴在阳光之下，另一个半球则对向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被认为是对流层里来自甲烷云与阴霾层局部增厚的结果。在纬度-45°的明亮“衣领”也与甲烷云有所关联。在南半球极区的其他变化，也可以用低层云的变化来解释。来自天王星微波发射谱线上的变化，或许是在对流层深处的循环变化造成的，因为厚实的极区云层和雾霾可能会阻碍对流。天王星春天和秋天的昼夜平分点即将来临，动力学上的改变和对流可能会再发生。
在1986年，旅行者2号飞掠时，天王星的南极几乎正对着太阳。标记这个极是南极是基于国际天文联合会的定义：行星或卫星的北极，是指向太阳系不变平面的上方（不是由自转的方向来决定）。但是，仍然有不同的协定被使用着：一个天体依据右手定则所定义的自转方向来决定北极和南极。根据后者的坐标系，1986年在阳光下的极则是北极。
天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约十米的黑暗粒状物组成。这是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。天王星环包含13个已命名的小环，其中最明亮的是ε环（Epsilon），其他的环都非常黯淡。天王星的光环像木星的光环一样暗，但又像土星的光环那样有相当大的直径。天王星环被认为是相当年轻的，在圆环周围的空隙和不透明部分的区别，暗示她们不是与天王星同时形成的，环中的物质可能来自被高速撞击或潮汐力粉碎的卫星。而最外面的第5个环的成分大部分是直径为几米到几十米的冰块。除此之外，天王星可能还存在着大量的窄环，宽度仅有50米，单环的环反射率非常低。
天王星环的发现日期是1977年3月10日，在JamesL.Elliot、EdwardW.Dunham、和DouglasJ.Mink使用柯伊伯机载天文台观测时。这个发现是很意外的，他们原本的计划是观测天王星掩蔽SAO158687以研究天王星的大气层。然而，当他们分析观测的资料时，发现行星遮掩的前后，这颗恒星都曾经短暂的消失了五次。他们认为，必须有个环系统围绕着行星才能解释。后来他们又侦测到四个额外的环。旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，直接看见了这些环。旅行者2号也发现了两圈新的光环，使环的数量增加到11圈（不包括2003年发现的）。
在2005年12月，哈勃太空望远镜侦测到一对早先未曾发现的蓝色圆环。最外围的一圈与天王星的距离比早先知道的环远了两倍，因此新发现的环被称为环系统的外环，使天王星环的数量增加到13圈。哈柏同时也发现了两颗新的小卫星，其中的天卫二十六还与最外面的μ环共享轨道。在2006年4月，凯克天文台公布的新环影像中，外环的一圈是蓝色的，另一圈则是红色的。关于外环颜色是蓝色的一个假说是，它由来自天卫二十六的细小冰微粒组成，因此能散射足够多的蓝光。天王星的内环看起来是呈灰色的。
天王星有27颗已知天然的卫星，这些卫星的名称都出自威廉·莎士比亚和亚历山大·波普的歌剧中的人物。五颗主要卫星的名称是天卫五（Miranda）、天卫一（Ariel）、天卫二（Umbriel）、天卫三（Tatania）和天卫四（Obeon）。天卫三和天卫四是威廉·赫歇尔在1787年3月13日发现的第一颗和第二颗天王星卫星，天卫一和天卫二是在1851年被威廉·拉塞尔发现的。但直到1852年，威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔才为这四颗卫星命名。1948年，杰拉德·柯伊伯发现第五颗卫星天卫五。天王星卫星系统的质量是气态巨星中最少的，五颗主要卫星的总质量还不到海卫一质量的一半。最大的卫星天卫三半径只有788.9公里，还不到月球的一半，但是比土星第二大的卫星土卫五（Rhea）稍大些。这些卫星的反照率相对也较低，天卫二约为0.2，天卫一约为0.35（在绿色光谱上）。这些卫星由冰和岩石组成，大约是50%的冰和50%的岩石，冰也许包含氨和二氧化碳。
在较大的卫星中，天卫一有着最年轻的表面，上面只有少许的陨石坑，天卫二看起来是最古老的。天卫五拥有深达20公里的断层峡谷，梯田状的层次和混乱的变化，形成令人混淆的表面年龄和特征。天卫五过去的地质活动被认为是在某段时候当其轨道比当前更偏心时受到潮汐加热的影响，偏心的原因大概是跟天卫二轨道共振（过去与当今3:1比例）的结果。与地幔上涌并挤入相关的外部加工很可能是天卫五上如同“赛马场”形状的冕状物（详见金星冕状物）的起源。同样的，天卫一被认为曾经处于与天卫三4:1轨道共振的位置。旅行者2号探测器于1986年1月飞掠天王星，在随后的照片研究中，天文学家发现了天卫六至天卫十五以及天卫二十五共11颗小卫星。后来使用地面的望远镜也证实了这些卫星的存在。
天王星的体积约为地球的64倍，其大气中包含83%的氢气，15%的氦气，2%的甲烷气体，表面温度平均为零下215℃。2014年8月6日，美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）在夏威夷凯克天文台（W.M.KeckObservatory），利用哈勃太空望远镜成功的观测并记录了一场最大规模的风暴。因为天王星具备气态行星的特质，所以经常爆发风暴，此前观测到的一次最大规模的风暴被命名为Berg。Berg发生在2000年，其引起的巨大影响一直持续到2009年才消失殆尽。
1986年1月，美国国家航空航天局的旅行者2号拜访了天王星。这是对天王星仅有的近距离探测，之后一直没有新的探测计划。旅行者2号在1977年发射，在继续前往海王星的旅程之前，旅行者2号在1月24日最接近天王星，距离近达81500公里。旅行者2号研究了天王星大气层的结构和化学组成，发现了10颗新卫星，还研究了天王星因为自转轴倾斜97.77°所造成的独特气候，并观察了天王星的环系统。它也研究了天王星的磁场。它对最大的五颗卫星做了首度的详细调查，并研究当时已知的九圈光环，也新发现了另外两道光环。
