Neutronitähtien havaitseminen vaatii instrumentteja, jotka ovat erilaiset kuin normaalien tähtien havaitsemiseksi, ja ne välttivät tähtitieteilijöitä monien vuosien ajan niiden erityispiirteiden vuoksi. Neutronitähti ei ole teknisesti enää ollenkaan tähdessä; se on vaihe, jonka jotkut tähdet saavuttavat olemassaolonsa lopussa. Normaali tähti palaa vetypolttoaineen läpi elinaikanaan, kunnes vety palaa ja painovoimat aiheuttavat tähden supistumisen pakottaen se sisäänpäin, kunnes heliumkaasut käyvät läpi saman ydinfuusion kuin vety, ja tähti purkautuu punaiseksi jättiläiseksi, viimeiseksi soihduksi ennen lopullista romahtamista. Jos tähti on suuri, se luo laajenevan materiaalin supernovan, joka polttaa kaikki sen varat yhdellä upealla finaalilla. Pienemmät tähdet hajoavat pölypilviksi, mutta jos tähti on riittävän suuri, sen painovoima pakottaa kaiken jäljellä olevan materiaalin yhteen valtavan paineen alaisena. Liian paljon painovoimaa, ja tähti implodoituu, ja siitä tulee musta aukko, mutta oikealla määrällä painovoiman tähden tähtien jäänteet sulautuvat sen sijaan muodostaen uskomattoman tiheän kuoren neutronit. Nämä neutronitähdet antavat harvoin valoa ja ovat vain muutaman mailin poikki, mikä tekee niistä vaikeasti havaittavia ja vaikeasti havaittavia.
Neutronitähdillä on kaksi ensisijaista ominaisuutta, jotka tutkijat voivat havaita. Ensimmäinen on neutronitähden voimakas painovoima. Ne voidaan joskus havaita sen perusteella, miten niiden painovoima vaikuttaa näkyvämpiin esineisiin heidän ympärillään. Suunnittelemalla avaruudessa olevien esineiden väliset painovoiman vuorovaikutukset tähtitieteilijät voivat osoittaa paikan, jossa neutronitähti tai vastaava ilmiö sijaitsee. Toinen menetelmä on pulsareiden havaitseminen. Pulsarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörivät, yleensä hyvin nopeasti, niiden aikaansaaman painovoiman seurauksena. Niiden valtava painovoima ja nopea pyöriminen saavat heidät virtaamaan sähkömagneettista energiaa molemmista magneettisista napoistaan. Nämä pylväät pyörivät yhdessä neutronitähden kanssa, ja jos ne ovat kohti maata, ne voidaan nostaa radioaalloina. Vaikutus on erittäin nopeilla radioaaltopulsseilla, kun kaksi napaa kääntyvät peräkkäin kohti maata samalla kun neutronitähti pyörii.
Muut neutronitähdet tuottavat röntgensäteilyä, kun niiden sisällä olevat materiaalit puristuvat ja kuumenevat, kunnes tähti ampuu pylväistään röntgensäteet. Etsimällä röntgenpulsseja tutkijat voivat löytää myös nämä röntgenpulssit ja lisätä ne tunnettujen neutronitähtien luetteloon.