Z tego powodu próby wyizolowania pierwiastka 93 z minerałów były skazane na niepowodzenie, chociaż później w 1952 roku neptun został wykryty w śladowych ilościach w rudach uranu.
W 1934 roku Enrico Fermi ogłosił, że w wyniku bombardowania uranu neutronami i późniejszych rozpadów beta udało mu się otrzymać pierwiastek 93. W tym samym roku ukazała się praca Idy Noddack, w której zakwestionowała ona wyniki Fermiego z powodu nieuwzględnienia możliwości istnienia w próbce pierwiastków lżejszych od uranu, jednocześnie sugerując, że jądra atomowe mogą być rozbijane na kilka części, co historycznie miało większe znaczenie niż sam fakt obalenia odkrycia. Fakt rozpadu ciężkich jąder po przyłączeniu neutronu został potwierdzony w 1939 roku przez Lise Meitner.
Neptun został otrzymany ostatecznie przez Edwina McMillana i Philipa Abelsona w 1940 roku w amerykańskim Lawrence Berkeley National Laboratory na University of California w Berkeley. Zespół wyprodukował izotop neptunu o T1/2 = 2,35 dnia poprzez bombardowanie uranu za pomocą powolnych neutronów:
Jest to pierwszy otrzymany sztucznie transuranowiec, czyli pierwiastek cięższy od uranu.