La détection des étoiles à neutrons nécessite des instruments différents de ceux utilisés pour détecter les étoiles normales, et elles ont échappé aux astronomes pendant de nombreuses années en raison de leurs caractéristiques particulières. Une étoile à neutrons n'est techniquement plus du tout une étoile; c'est la phase qu'atteignent certaines étoiles à la fin de leur existence. Une étoile normale brûle son carburant d'hydrogène au cours de sa vie jusqu'à ce que l'hydrogène soit brûlé et que les forces de gravité provoquent la contraction de l'étoile, forçant vers l'intérieur jusqu'à ce que les gaz d'hélium subissent la même fusion nucléaire que l'hydrogène, et que l'étoile éclate en une géante rouge, une dernière éruption avant son effondrement final. Si l'étoile est grande, elle créera une supernova de matière en expansion, brûlant toutes ses réserves en une finale spectaculaire. Les étoiles plus petites sont brisées en nuages de poussière, mais si l'étoile est suffisamment grande, sa gravité forcera toute sa matière restante à se rassembler sous une pression énorme. Trop de force gravitationnelle, et l'étoile implose, devenant un trou noir, mais avec la bonne quantité de gravité, les restes de l'étoile fusionneront à la place, formant une coquille incroyablement dense neutrons. Ces étoiles à neutrons émettent rarement de la lumière et ne mesurent que plusieurs kilomètres de diamètre, ce qui les rend difficiles à voir et à détecter.
Les étoiles à neutrons ont deux caractéristiques principales que les scientifiques peuvent détecter. La première est la force gravitationnelle intense d'une étoile à neutrons. Ils peuvent parfois être détectés par la façon dont leur gravité affecte les objets les plus visibles autour d'eux. En traçant soigneusement les interactions de la gravité entre les objets dans l'espace, les astronomes peuvent localiser l'endroit où se trouve une étoile à neutrons ou un phénomène similaire. La deuxième méthode passe par la détection de pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui tournent, généralement très rapidement, en raison de la pression gravitationnelle qui les a créées. Leur énorme gravité et leur rotation rapide les amènent à diffuser de l'énergie électromagnétique à partir de leurs deux pôles magnétiques. Ces pôles tournent avec l'étoile à neutrons, et s'ils font face à la Terre, ils peuvent être captés sous forme d'ondes radio. L'effet est celui d'impulsions d'ondes radio extrêmement rapides lorsque les deux pôles tournent l'un après l'autre pour faire face à la Terre tandis que l'étoile à neutrons tourne.
D'autres étoiles à neutrons produisent un rayonnement X lorsque les matériaux qu'elles contiennent se compriment et chauffent jusqu'à ce que l'étoile émette des rayons X depuis ses pôles. En recherchant des impulsions de rayons X, les scientifiques peuvent également trouver ces pulsars à rayons X et les ajouter à la liste des étoiles à neutrons connues.