至今人类对天王星的探测只有透过望远镜和 NASA 所发射，于1986年1月24日最接近天王星的旅行者2号空间探测器。旅行者2号发现了天王星的10颗卫星，并探测了天王星的寒冷大气层和环，同时发现了2圈新的光环。旅行者2号还对天王星的5颗最大的卫星表面拍摄，并发现这些卫星的表面有许多撞击坑和峡谷。
目前已有数个专门对天王星探测任务的方案被提出，但直到2012年仍无任一方案被正式批准。
旅行者2号是第一个，也是至今唯一一个探测过天王星的空间探测器（它的姊妹船旅行者1号探测外行星只到土星和土卫六为止）。旅行者2号于1986年1月24日距离天王星最近，和天王星的云层顶部距离81500公里。
天王星是太阳系第三大行星，距离太阳约26亿公里，公转周期84年，自转周期由旅行者2号测量的结果是17小时14分。天王星的特点是它的自转向一侧倾斜。这个不寻常的状况被认为是在太阳系早期历史中曾受到行星体积的物体撞击。因为这特殊的状况，使天王星的极点长期受到日照或长期在夜晚中，科学家一开始并不确定在天王星能发现什么状况。
在旅行者2号以前并不知道天王星磁场的存在。天王星磁场强度和地球相当，但不同位置的变化较大，这是因为天王星磁场位置大幅偏离天王星的几何中心。天王星磁场的特殊方向显示磁场是因为天王星内部中间的水所受压力相当大，使水成为导体而产生。
旅行者2号发现天王星自转轴方向造成最明显的影响是磁场的磁尾和自转轴夹角达到60度。磁尾被扭转到天王星背对太阳的一方，形状像是拔瓶塞的长螺旋杆。
天王星的辐射带强度与土星相当。带内的辐射强度会使封存在冰卫星或环内粒子表面的甲烷在10万年内变暗，这也许是天王星卫星和环内粒子表面变暗，且几乎是一致的灰色的原因。
在天王星受到太阳光照射的磁极处发现了位于大气层高层的霾层，并且有大量紫外线辐射，这种现象称为“电子辉光”。天王星大气层的平均温度大约是59K。令人惊讶的是，天王星不论是白昼或夜间的极区，以及天王星表面大部分地区在云层顶部的温度几乎都相同。
旅行者2号发现了10颗卫星，使当时天王星卫星总数达到15颗。旅行者2号发现的卫星大多都是小卫星，最大者直径约150公里。
天王星五颗大卫星中，距离天王星最近的天卫五是至今太阳系中最特殊的天体之一。旅行者2号飞掠时拍摄的高解析影像中显示天卫五表面有称为“冕状物”的巨大卵形结构，而这些卵状物侧面是和断层悬崖相接，最深者可达到10公里。另外在天卫五上也发现了阶地和古老与年轻区域交错存在的状况。有理论认为天卫五可能是某颗卫星在猛烈撞击中解体后的物质重新组合形成的。
天王星最大的五颗卫星看起来像是水和岩石混合的物质形成的，与土星的卫星相似。天卫三的表面有明显的巨大断层系统和峡谷，代表天卫三早期有一定程度的地质甚至是板块活动。天卫一拥有所有天王星卫星中最明亮的，可能也最年轻的表面。天卫一的表面看似曾经历过一定成度的地质活动，造成许多断层谷地和冰等物质因为扩张而流动的迹象。天卫二和天卫四的表面相当古老且黑暗，因此这两颗卫星被认为极少地质活动。
旅行者2号探测前就已被观测到的天王星环中9个光环都被探测过，并发现天王星环和木星与土星环有明显不同。天王星环可能相对年轻，并且形成的时间和天王星不同。这些环可能是由因为高速撞击或潮汐力碎裂的卫星的碎片形成。旅行者2号还发现了2圈新的光环。
目前已有数个探测天王星的任务提案被提出。英国伦敦大学学院穆勒太空科学实验室（Mullard Space Science Laboratory）的科学家提出了由 NASA 和 ESA 协同进行的天王星探测任务 Uranus Pathfinder。一个预计在2022年发射探测器的中级行星探测任务提案已于2010年12月和120位来自世界各地科学家的签名送交 ESA。ESA 将中级行星探测任务的预算控制在4.7亿欧元以下。
另一个由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室提出的提案则称为 "HORUS"。该提案是使用一个以核能为动力的轨道探测器，并携带摄影机、光谱仪和磁强计。计划中探测器将在2021年4月发射，并以17年时间到达天王星，而探测器任务时间至少2年。
2009年，一个来自喷气推进实验室的行星科学家团队提出了一个可能的太阳能动力天王星轨道探测器方案。发射这型探测器的最佳发射窗口将在2018年8月，它将在2030年9月到达天王星。它的科学酬载包含磁强计、粒子探测器以及可能包含摄影机。
在最近十年的行星探测未来潜力调查中，Committee on the Planetary Science Decadal Survey 则建议执行天王星轨道探测器计划（Uranus Orbiter and Probe）：这是一个研究天王星的旗舰计划，虽然它的优先程度在火星和木星系统探测任务之后。
