Voor het detecteren van neutronensterren zijn andere instrumenten nodig dan die welke worden gebruikt om normale sterren te detecteren, en vanwege hun bijzondere eigenschappen zijn ze jarenlang aan astronomen ontsnapt. Een neutronenster is technisch gezien helemaal niet meer bij een ster; het is de fase die sommige sterren bereiken aan het einde van hun bestaan. Een normale ster brandt in de loop van zijn leven door zijn waterstofbrandstof totdat de waterstof is opgebrand en de zwaartekracht ervoor zorgt dat de ster samentrekt, waardoor het naar binnen totdat de heliumgassen door dezelfde kernfusie gaan als de waterstof, en de ster uitbarst in een rode reus, een laatste fakkel voordat hij definitief instort. Als de ster groot is, zal hij een supernova van uitzettend materiaal creëren, waarbij al zijn reserves worden verbrand in één spectaculaire finale. Kleinere sterren vallen uiteen in stofwolken, maar als de ster groot genoeg is, zal de zwaartekracht al het resterende materiaal onder enorme druk samendrukken. Te veel zwaartekracht, en de ster implodeert en wordt een zwart gat, maar met de juiste hoeveelheid van de zwaartekracht zullen de overblijfselen van de ster in plaats daarvan samensmelten en een schil van ongelooflijk dichte vormen neutronen. Deze neutronensterren geven zelden enig licht en zijn slechts enkele kilometers in doorsnee, waardoor ze moeilijk te zien en moeilijk te detecteren zijn.
Neutronensterren hebben twee primaire kenmerken die wetenschappers kunnen detecteren. De eerste is de intense zwaartekracht van een neutronenster. Ze kunnen soms worden gedetecteerd door hoe hun zwaartekracht meer zichtbare objecten om hen heen beïnvloedt. Door de interacties van zwaartekracht tussen objecten in de ruimte zorgvuldig uit te tekenen, kunnen astronomen de plaats bepalen waar een neutronenster of een soortgelijk fenomeen zich bevindt. De tweede methode is door de detectie van pulsars. Pulsars zijn neutronensterren die, meestal heel snel, ronddraaien als gevolg van de zwaartekracht die ze heeft veroorzaakt. Hun enorme zwaartekracht en snelle rotatie zorgen ervoor dat ze elektromagnetische energie uit hun beide magnetische polen stromen. Deze polen draaien mee met de neutronenster en als ze naar de aarde zijn gericht, kunnen ze worden opgepikt als radiogolven. Het effect is dat van extreem snelle radiogolfpulsen wanneer de twee polen de een na de ander naar de aarde draaien terwijl de neutronenster draait.
Andere neutronensterren produceren röntgenstraling wanneer de materialen erin samendrukken en opwarmen totdat de ster röntgenstralen uit zijn polen schiet. Door naar röntgenpulsen te zoeken, kunnen wetenschappers deze röntgenpulsars ook vinden en toevoegen aan de lijst met bekende neutronensterren.
