Otkrivanje neutronskih zvijezda zahtijeva instrumente koji se razlikuju od onih koji se koriste za otkrivanje normalnih zvijezda, a astronomima su dugo godina izmicali zbog njihovih osobitih karakteristika. Neutronska zvijezda tehnički više uopće nije u zvijezdi; to je faza koju neke zvijezde dosežu na kraju svog postojanja. Normalna zvijezda gori svoje vodikovo gorivo tijekom svog života dok vodik ne izgori i sile gravitacije dovode do toga da se zvijezda skuplja, prisiljavajući ona prema unutra dok helijevi plinovi ne prođu istu nuklearnu fuziju kao što je to učinio i vodik, a zvijezda eruptira u crveni div, posljednji bljesak prije konačnog kolapsa. Ako je zvijezda velika, stvorit će supernovu od materijala koji se širi, sagorijevajući sve svoje rezerve u jednom spektakularnom finalu. Manje zvijezde rastavljene su na oblake prašine, ali ako je zvijezda dovoljno velika, njena će gravitacija prisiliti sav preostali materijal pod ogromnim pritiskom. Previše gravitacijske sile, a zvijezda implodira, postajući crna rupa, ali s pravom količinom gravitacije ostaci zvijezde će se umjesto toga stopiti, stvarajući ljusku nevjerojatno guste neutronima. Te neutronske zvijezde rijetko odaju bilo kakvu svjetlost i imaju samo nekoliko milja priječnika, što ih čini teško vidljivima i teško ih je otkriti.
Neutronske zvijezde imaju dvije primarne karakteristike koje znanstvenici mogu otkriti. Prva je intenzivna gravitacijska sila neutronske zvijezde. Ponekad ih se može otkriti kako njihova gravitacija utječe na vidljivije predmete oko njih. Pažljivim crtanjem interakcija gravitacije između objekata u svemiru, astronomi mogu odrediti mjesto na kojem se nalazi neutronska zvijezda ili slična pojava. Druga metoda je otkrivanje pulsara. Pulsari su neutronske zvijezde koje se vrte, obično vrlo brzo, kao rezultat gravitacijskog tlaka koji ih je stvorio. Njihova ogromna gravitacija i brza rotacija uzrokuju istjecanje elektromagnetske energije s oba njihova magnetska pola. Ti se polovi vrte zajedno s neutronskom zvijezdom i ako su okrenuti prema Zemlji, mogu se pokupiti kao radio valovi. Učinak je učinak izuzetno brzih impulsa radio valova dok se dva pola okreću jedan za drugim okrenuti prema Zemlji dok se neutronska zvijezda vrti.
Druge neutronske zvijezde proizvode X zračenje kad se materijali u njima komprimiraju i zagrijavaju dok zvijezda ne izbaci X zrake sa svojih polova. Traženjem rendgenskih impulsa, znanstvenici mogu pronaći i ove rendgenske pulsare i dodati ih na popis poznatih neutronskih zvijezda.