Norint nustatyti neutronines žvaigždes, reikalingi kitokie instrumentai, nei naudojami įprastoms žvaigždėms aptikti, ir jie daugelį metų dėl savitų savybių išvengė astronomų. Neutroninės žvaigždės techniškai nebėra ties žvaigžde; tai fazė, kurią kai kurios žvaigždės pasiekia savo egzistavimo pabaigoje. Normali žvaigždė per savo vandenį degina vandenilio kurą, kol vandenilis sudegina, o sunkio jėgos priverčia žvaigždę susitraukti ir verčia ji į vidų, kol helio dujos praeina per tą patį branduolio sintezę, kurią padarė vandenilis, ir žvaigždė išsiveržia į raudoną milžiną, paskutinį žybsnį prieš galutinį žlugimą. Jei žvaigždė yra didelė, ji sukurs besiplečiančios medžiagos supernovą, sudegindama visas savo atsargas per vieną įspūdingą finalą. Mažesnės žvaigždės suskaidomos į dulkių debesis, tačiau, jei žvaigždė yra pakankamai didelė, jos sunkis sukels visą likusį medžiagą didžiuliu slėgiu. Per daug gravitacinės jėgos, ir žvaigždė užsimano, tapdama juodąja skylė, tačiau turėdama reikiamą kiekį dėl gravitacijos žvaigždės liekanos susilies, susidarydamos nepaprastai tankų apvalkalą neutronai. Šios neutroninės žvaigždės retai išleidžia bet kokią šviesą ir yra tik maždaug už kelių mylių, todėl jas sunku pamatyti ir sunku aptikti.
Neutroninės žvaigždės turi dvi pagrindines savybes, kurias gali aptikti mokslininkai. Pirmasis yra intensyvi neutroninės žvaigždės traukos jėga. Kartais juos galima nustatyti pagal tai, kaip jų sunkumas veikia labiau matomus aplink juos objektus. Kruopščiai nubrėždami erdvės objektų gravitacijos sąveiką, astronomai gali tiksliai nustatyti vietą, kurioje yra neutroninė žvaigždė ar panašus reiškinys. Antrasis metodas yra pulsarų aptikimas. Pulsarai yra neutroninės žvaigždės, kurios dažniausiai sukasi labai greitai dėl juos sukūrusio gravitacinio slėgio. Dėl savo didžiulės gravitacijos ir greito sukimosi jie iš abiejų magnetinių polių išteka elektromagnetinę energiją. Šie poliai sukasi kartu su neutronų žvaigžde, ir, jei jie yra nukreipti į Žemę, juos galima paimti kaip radijo bangas. Poveikis yra labai greitas radijo bangų impulsas, kai du poliai sukasi vienas po kito atsisukę į Žemę, o neutroninė žvaigždė sukasi.
Kitos neutroninės žvaigždės sukelia X spinduliuotę, kai jose esančios medžiagos suspaudžiamos ir kaitinamos tol, kol žvaigždė iššaudo rentgeno spindulius iš savo ašigalių. Ieškodami rentgeno impulsų, mokslininkai taip pat gali rasti šiuos rentgeno pulsorius ir įtraukti į žinomų neutroninių žvaigždžių sąrašą.
