איתור כוכבי נויטרונים דורש מכשירים שונים מאלה המשמשים לזיהוי כוכבים רגילים, והם התחמקו מאסטרונומים במשך שנים רבות בגלל מאפייניהם המיוחדים. כוכב נויטרונים כבר לא נמצא בכלל בכוכב; זה השלב שאליו כוכבים מסוימים מגיעים בסוף קיומם. כוכב רגיל נשרף דרך דלק המימן שלו במהלך חייו עד שהמימן נשרף וכוחות הכובד גורמים לכוכב להתכווץ, מכריח זה פנימה עד שגזי ההליום עוברים את אותו היתוך גרעיני שעשה המימן, והכוכב מתפרץ לענק אדום, התלקחות אחרונה לפני קריסתו הסופית. אם הכוכב גדול, הוא ייצור סופרנובה של חומר מתרחב, וישרוף את כל עתודותיו בגמר מרהיב אחד. כוכבים קטנים יותר מפורקים לענני אבק, אך אם הכוכב גדול מספיק כוח המשיכה שלו יכריח את כל החומר שנותר יחד בלחץ עצום. יותר מדי כוח כוח משיכה, והכוכב מתפוצץ והופך לחור שחור, אבל עם הכמות הנכונה בכוח הכובד שרידי הכוכב יתמזגו יחד במקום, ויצרו מעטפת צפופה להפליא נויטרונים. כוכבי נויטרונים אלה לעתים נדירות מוציאים שום אור והם רק כמה קילומטרים, מה שהופך אותם לקשים לראות וקשים לגילוי.
לכוכבי נויטרונים שני מאפיינים עיקריים שמדענים יכולים לזהות. הראשון הוא כוח הכבידה האינטנסיבי של כוכב נויטרונים. לפעמים הם יכולים להתגלות על ידי האופן שבו כוח המשיכה שלהם משפיע על עצמים גלויים יותר סביבם. על ידי תכנון בזהירות של יחסי הגומלין בין עצמים בחלל, אסטרונומים יכולים לאתר את המקום בו נמצא כוכב נויטרונים או תופעה דומה. השיטה השנייה היא באמצעות איתור פולסרים. פולסרים הם כוכבי נויטרונים שמסתובבים, בדרך כלל מהר מאוד, כתוצאה מלחץ הכבידה שיצר אותם. כוח המשיכה העצום וסיבובם המהיר גורמים להם להזרים אנרגיה אלקטרומגנטית משני הקטבים המגנטיים שלהם. קטבים אלה מסתובבים יחד עם כוכב הנויטרונים, ואם הם פונים לכדור הארץ, ניתן להרים אותם כגלי רדיו. ההשפעה היא של פעימות גלי רדיו מהירות במיוחד כאשר שני הקטבים מסתובבים זה אחר זה לכיוון כדור הארץ בזמן שכוכב הנויטרונים מסתובב.
כוכבי נויטרונים אחרים מייצרים קרינת X כאשר החומרים בתוכם נדחסים ומתחממים עד שהכוכב יורה מקרני הרנטגן. על ידי חיפוש אחר פולסי רנטגן, מדענים יכולים למצוא גם את פולסרי הרנטגן הללו ולהוסיף אותם לרשימת כוכבי הנויטרונים הידועים.