At detektere neutronstjerner kræver instrumenter, der er forskellige fra dem, der bruges til at detektere normale stjerner, og de undgik astronomer i mange år på grund af deres ejendommelige egenskaber. En neutronstjerne er teknisk set slet ikke længere en stjerne; det er den fase, som nogle stjerner når i slutningen af deres eksistens. En normal stjerne brænder igennem sit brintbrændstof i løbet af sin levetid, indtil brintet brændes op og tyngdekrafterne får stjernen til at trække sig sammen og tvinge det indad, indtil heliumgasserne gennemgår den samme nukleare fusion, som brintet gjorde, og stjernen bryder ud i en rød kæmpe, en sidste flare før dens endelige sammenbrud. Hvis stjernen er stor, vil den skabe en supernova af ekspanderende materiale, der brænder alle sine reserver op i en spektakulær finale. Mindre stjerner er opdelt i støvskyer, men hvis stjernen er stor nok, vil dens tyngdekraft tvinge alt det resterende materiale sammen under enormt pres. For meget tyngdekraft, og stjernen imploderer, bliver et sort hul, men med den rigtige mængde af tyngdekraften vil stjernens rester smelte sammen i stedet og danne en skal af utrolig tæt neutroner. Disse neutronstjerner udsender sjældent noget lys og er kun over flere miles på tværs, hvilket gør dem svære at se og vanskelige at opdage.
Neutronstjerner har to primære egenskaber, som forskere kan opdage. Den første er en neutronstjernes intense tyngdekraft. De kan undertiden opdages ved, hvordan deres tyngdekraft påvirker mere synlige genstande omkring dem. Ved omhyggeligt at tegne tyngdekraftens interaktioner mellem objekter i rummet kan astronomer lokalisere det sted, hvor en neutronstjerne eller et lignende fænomen er placeret. Den anden metode er gennem påvisning af pulsarer. Pulsarer er neutronstjerner, der drejer, normalt meget hurtigt, som et resultat af tyngdekraften, der skabte dem. Deres enorme tyngdekraft og hurtige rotation får dem til at strømme ud elektromagnetisk energi fra begge deres magnetiske poler. Disse poler drejer sammen med neutronstjernen, og hvis de vender mod Jorden, kan de samles op som radiobølger. Effekten er af ekstremt hurtige radiobølgepulser, da de to poler drejer den ene efter den anden for at vende jorden, mens neutronstjernen drejer.
Andre neutronstjerner producerer X-stråling, når materialerne i dem komprimerer og opvarmes, indtil stjernen skyder røntgenstråler ud fra sine poler. Ved at kigge efter røntgenimpulser kan forskere også finde disse røntgenpulsarer og føje dem til listen over kendte neutronstjerner.