La fontana fu voluta da Pier Donato Cesi, vicelegato pontificio a Bologna, per abbellire la nuova piazza del Nettuno (aperta dopo l'abbattimento di un gran numero di piccole costruzioni) con un'opera che simboleggiasse la munificenza del buon governo pontificio di Pio IV. La commissione venne assegnata il 2 agosto 1563 al fonditore bolognese Zanobio Portigiani, all'architetto palermitano Tommaso Laureti (al quale venne delegata l'esecuzione della struttura architettonica dell'opera) e infine allo scultore fiammingo manierista Giambologna, incaricato di realizzare la statua bronzea del Nettuno e le parti scultoree con una retribuzione di mille scudi d'oro.

La fontana del Nettuno poggia su una base di tre gradini, al di sopra dei quali è collocata una vasca in macigno locale ricoperto da marmo di Verona. Al centro della vasca, lo zoccolo è fiancheggiato alla base da quattro nereidi che si sorreggono i seni, è decorato con emblemi pontifici, con ornamenti di foggia fantastica e con quattro putti che reggono delfini, in riferimento al Gange, al Nilo, al Rio delle Amazzoni e al Danubio, che simboleggiavano le «quattro parti del mondo», cioè i continenti allora conosciuti. Al centro del piedistallo si erge maestosa la figura serpentiforme del Nettuno del Giambologna, che in esso ha voluto esprimere la tipica teatralità manieristica. L'altezza della sola statua del Nettuno è di circa 320 cm. Un modello in bronzo della statua di dimensioni ridotte (cm. 78,4), è conservato a Bologna presso il Museo civico medievale.