Neitronu zvaigžņu noteikšanai nepieciešami instrumenti, kas atšķiras no tiem, kurus izmanto normālu zvaigžņu noteikšanai, un to īpatnību dēļ viņi daudzus gadus izvairījās no astronomiem. Neitronu zvaigzne tehniski vairs nav pie zvaigznes; tā ir fāze, kuru dažas zvaigznes sasniedz savas eksistences beigās. Normāla zvaigzne savas dzīves laikā sadedzina ūdeņraža degvielu, līdz ūdeņradis ir sadedzināts un smaguma spēki liek zvaigznei sarauties, liekot tā uz iekšu, līdz hēlija gāzes iziet caur to pašu kodolsintēzi, ko paveica ūdeņradis, un zvaigzne izvēršas sarkanā milžā, kas ir pēdējais uzliesmojums pirms tās galīgās sabrukšanas. Ja zvaigzne ir liela, tā izveidos izplešanās materiāla supernovu, kas vienā iespaidīgā finālā sadedzinās visas tās rezerves. Mazākas zvaigznes sadalās putekļu mākoņos, bet, ja zvaigzne ir pietiekami liela, tās smagums piespiedīs visu atlikušo materiālu milzīgā spiedienā. Pārāk daudz gravitācijas spēka, un zvaigzne ieplūst, kļūstot par melno caurumu, bet ar pareizo daudzumu smaguma dēļ zvaigznes paliekas saplūst, veidojot neticami blīvu apvalku neitroni. Šīs neitronu zvaigznes reti izdala gaismu un atrodas tikai aptuveni jūdzes pāri, padarot tās grūti saskatāmas un grūti pamanāmas.
Neitronu zvaigznēm ir divas galvenās pazīmes, kuras zinātnieki var atklāt. Pirmais ir neitronu zvaigznes intensīvais gravitācijas spēks. Dažreiz tos var noteikt pēc tā, kā to smagums ietekmē redzamākus objektus ap tiem. Rūpīgi uzzīmējot gravitācijas mijiedarbību starp kosmosa objektiem, astronomi var precīzi noteikt vietu, kur atrodas neitronu zvaigzne vai līdzīga parādība. Otrā metode ir pulsāru noteikšana. Pulsāri ir neitronu zvaigznes, kas gravitācijas spiediena rezultātā, kas tos radīja, parasti griežas ļoti ātri. Viņu milzīgais smagums un ātra rotācija liek viņiem izplūst elektromagnētisko enerģiju no abiem magnētiskajiem poliem. Šie stabi griežas kopā ar neitronu zvaigzni, un, ja tie ir vērsti pret Zemi, tos var uztvert kā radioviļņus. Efekts ir ārkārtīgi ātrs radioviļņu impulss, kad abi stabi viens pēc otra pagriežas pret Zemi, kamēr griežas neitronu zvaigzne.
Citas neitronu zvaigznes rada X starojumu, kad tajā esošie materiāli saspiež un silda, līdz zvaigzne izšauj rentgena starus no saviem poliem. Meklējot rentgenstaru impulsus, zinātnieki var atrast arī šos rentgena pulsārus un pievienot tos zināmo neitronu zvaigžņu sarakstam.