Detekce neutronových hvězd vyžaduje přístroje, které se liší od těch, které se používají k detekci normálních hvězd, a díky svým zvláštním charakteristikám astronomům mnoho let unikali. Neutronová hvězda již technicky vůbec není na hvězdě; je to fáze, které některé hvězdy dosáhnou na konci své existence. Normální hvězda hoří během svého života vodíkovým palivem, dokud nedojde ke spálení vodíku a gravitační síly způsobí, že se hvězda smrští a nutí to dovnitř, dokud plyny hélia neprocházejí stejnou jadernou fúzí jako vodík, a hvězda vybuchne v červeného obra, poslední vzplanutí před konečným zhroucením. Pokud je hvězda velká, vytvoří supernovu rozpínajícího se materiálu a spálí všechny její zásoby v jednom velkolepém finále. Menší hvězdy se rozpadají na prachová mračna, ale pokud je hvězda dostatečně velká, její gravitace vynutí veškerý zbývající materiál dohromady pod obrovským tlakem. Příliš mnoho gravitační síly a hvězda imploduje a stává se černou dírou, ale se správným množstvím gravitační zbytky hvězdy místo toho splynou dohromady a vytvoří neuvěřitelně hustou skořápku neutrony. Tyto neutronové hvězdy jen zřídka vydávají jakékoli světlo a jejich průměr je jen několik kilometrů, takže je obtížné je vidět a obtížně detekovat.
Neutronové hvězdy mají dvě hlavní charakteristiky, které mohou vědci detekovat. První je intenzivní gravitační síla neutronové hvězdy. Někdy je lze detekovat podle toho, jak jejich gravitace ovlivňuje viditelnější objekty v jejich okolí. Pečlivým vykreslením gravitačních interakcí mezi objekty ve vesmíru mohou astronomové přesně určit místo, kde se nachází neutronová hvězda nebo podobný jev. Druhá metoda spočívá v detekci pulzarů. Pulsary jsou neutronové hvězdy, které se otáčejí, obvykle velmi rychle, v důsledku gravitačního tlaku, který je vytvořil. Jejich obrovská gravitace a rychlá rotace způsobují, že vyzařují elektromagnetickou energii z obou magnetických pólů. Tyto póly se otáčejí spolu s neutronovou hvězdou, a pokud jsou obráceny k Zemi, lze je zachytit jako rádiové vlny. Výsledkem jsou extrémně rychlé pulsy rádiových vln, když se oba póly otáčejí jeden za druhým směrem k Zemi, zatímco se neutronová hvězda otáčí.
Jiné neutronové hvězdy produkují X záření, když se materiály v nich stlačují a zahřívají, dokud hvězda nevystřelí rentgenové paprsky ze svých pólů. Při hledání rentgenových pulzů mohou vědci také najít tyto rentgenové pulsary a přidat je do seznamu známých neutronových hvězd.
