Å oppdage nøytronstjerner krever instrumenter som er forskjellige fra de som brukes til å oppdage normale stjerner, og de unngikk astronomer i mange år på grunn av deres særegne egenskaper. En nøytronstjerne er teknisk ikke lenger i det hele tatt; det er fasen noen stjerner når på slutten av sin eksistens. En normal stjerne brenner gjennom hydrogenbrenselet i løpet av sin levetid til hydrogenet blir brent opp og tyngdekreftene får stjernen til å trekke seg sammen og tvinge den innover til heliumgassene går gjennom den samme kjernefysiske fusjonen som hydrogenet gjorde, og stjernen bryter ut i en rød kjempe, en siste bluss før den endelige kollapsen. Hvis stjernen er stor, vil den skape en supernova av ekspanderende materiale som brenner opp alle reservene i en spektakulær finale. Mindre stjerner brytes fra hverandre til støvskyer, men hvis stjernen er stor nok, vil tyngdekraften tvinge alt sitt gjenværende materiale sammen under enormt trykk. For mye gravitasjonskraft, og stjernen imploderer, blir et svart hull, men med riktig mengde av tyngdekraften vil stjernens rester smelte sammen i stedet og danne et skall av utrolig tett nøytroner. Disse nøytronstjernene gir sjelden noe lys og er bare noen kilometer på tvers, noe som gjør dem vanskelig å se og vanskelig å oppdage.
Nøytronstjerner har to primære egenskaper som forskere kan oppdage. Den første er en nøytronstjerns intense gravitasjonskraft. Noen ganger kan de oppdages av hvordan tyngdekraften påvirker mer synlige gjenstander rundt dem. Ved å nøye planlegge samspillet mellom tyngdekraften mellom objekter i rommet, kan astronomer finne stedet der en nøytronstjerne eller et lignende fenomen ligger. Den andre metoden er gjennom påvisning av pulsarer. Pulsarer er nøytronstjerner som spinner, vanligvis veldig raskt, som et resultat av gravitasjonstrykket som skapte dem. Deres enorme tyngdekraft og raske rotasjon får dem til å strømme ut elektromagnetisk energi fra begge magnetpolene. Disse polene spinner sammen med nøytronstjernen, og hvis de vender mot jorden, kan de bli plukket opp som radiobølger. Effekten er at ekstrem raske radiobølgepulser når de to polene vender seg etter hverandre for å møte Jorden mens nøytronstjernen spinner.
Andre nøytronstjerner produserer X-stråling når materialene i dem komprimerer og varmer til stjernen skyter ut røntgen fra sine poler. Ved å lete etter røntgenpulser, kan forskere også finne disse røntgenpulsarene og legge dem til på listen over kjente nøytronstjerner.