Mendeteksi bintang neutron membutuhkan instrumen yang berbeda dari yang digunakan untuk mendeteksi bintang normal, dan mereka menghindari para astronom selama bertahun-tahun karena karakteristiknya yang khas. Bintang neutron secara teknis tidak lagi menjadi bintang sama sekali; itu adalah fase yang dicapai beberapa bintang di akhir keberadaannya. Bintang normal membakar bahan bakar hidrogennya selama hidupnya sampai hidrogen terbakar dan gaya gravitasi menyebabkan bintang berkontraksi, memaksa itu ke dalam sampai gas helium melalui fusi nuklir yang sama seperti hidrogen, dan bintang meletus menjadi raksasa merah, suar terakhir sebelum keruntuhan terakhirnya. Jika bintangnya besar, ia akan menciptakan supernova materi yang mengembang, membakar semua cadangannya dalam satu akhir yang spektakuler. Bintang-bintang yang lebih kecil terpecah menjadi awan debu, tetapi jika bintang itu cukup besar, gravitasinya akan memaksa semua materi yang tersisa bersama-sama di bawah tekanan yang sangat besar. Terlalu banyak gaya gravitasi, dan bintang itu meledak, menjadi lubang hitam, tetapi dengan jumlah yang tepat gravitasi, sisa-sisa bintang akan menyatu sebagai gantinya, membentuk cangkang yang sangat padat neutron. Bintang-bintang neutron ini jarang mengeluarkan cahaya dan hanya beberapa mil atau lebih, membuat mereka sulit dilihat dan sulit dideteksi.
Bintang neutron memiliki dua karakteristik utama yang dapat dideteksi oleh para ilmuwan. Yang pertama adalah gaya gravitasi intens bintang neutron. Mereka kadang-kadang dapat dideteksi oleh bagaimana gravitasi mereka mempengaruhi objek yang lebih terlihat di sekitar mereka. Dengan hati-hati merencanakan interaksi gravitasi antara benda-benda di ruang angkasa, para astronom dapat menentukan tempat di mana bintang neutron atau fenomena serupa berada. Cara kedua adalah melalui pendeteksian pulsar. Pulsar adalah bintang neutron yang berputar, biasanya sangat cepat, sebagai akibat dari tekanan gravitasi yang menciptakannya. Gravitasi yang sangat besar dan rotasi yang cepat menyebabkan mereka mengalirkan energi elektromagnetik dari kedua kutub magnetnya. Kutub-kutub ini berputar bersama dengan bintang neutron, dan jika mereka menghadap Bumi, mereka dapat ditangkap sebagai gelombang radio. Efeknya adalah gelombang radio yang sangat cepat berdenyut saat kedua kutub berputar satu demi satu menghadap Bumi sementara bintang neutron berputar.
Bintang neutron lainnya menghasilkan radiasi X ketika bahan di dalamnya memampatkan dan memanas hingga bintang tersebut mengeluarkan sinar-X dari kutubnya. Dengan mencari pulsa sinar-X, para ilmuwan dapat menemukan pulsar sinar-X ini juga dan menambahkannya ke daftar bintang neutron yang diketahui.