Wykrywanie gwiazd neutronowych wymaga instrumentów innych niż te używane do wykrywania normalnych gwiazd, które przez wiele lat wymykały się astronomom ze względu na ich szczególne cechy. Z technicznego punktu widzenia gwiazda neutronowa nie jest już w ogóle gwiazdą; jest to faza, którą osiągają niektóre gwiazdy pod koniec swojego istnienia. Normalna gwiazda spala paliwo wodorowe w trakcie swojego życia, dopóki wodór nie zostanie spalony, a siły grawitacji spowodują kurczenie się gwiazdy, wymuszając do wewnątrz, aż gazy helowe przejdą tę samą fuzję jądrową, co wodór, a gwiazda wybuchnie w czerwonego olbrzyma, ostatni rozbłysk przed ostatecznym zapadnięciem się. Jeśli gwiazda jest duża, stworzy supernową z rozszerzającej się materii, spalając wszystkie jej rezerwy w jednym spektakularnym finale. Mniejsze gwiazdy rozpadają się na obłoki pyłu, ale jeśli gwiazda jest wystarczająco duża, jej grawitacja zepchnie całą pozostałą materię razem pod ogromnym ciśnieniem. Za dużo siły grawitacyjnej i gwiazda imploduje, stając się czarną dziurą, ale w odpowiedniej ilości grawitacji zamiast tego szczątki gwiazdy połączą się, tworząc niezwykle gęstą powłokę neutrony. Te gwiazdy neutronowe rzadko emitują jakiekolwiek światło i mają tylko kilka kilometrów średnicy, co sprawia, że są trudne do zauważenia i trudne do wykrycia.
Gwiazdy neutronowe mają dwie podstawowe cechy, które naukowcy mogą wykryć. Pierwsza to intensywna siła grawitacyjna gwiazdy neutronowej. Czasami można je wykryć po tym, jak ich grawitacja wpływa na bardziej widoczne obiekty wokół nich. Starannie wykreślając interakcje grawitacyjne między obiektami w kosmosie, astronomowie mogą wskazać miejsce, w którym znajduje się gwiazda neutronowa lub podobne zjawisko. Druga metoda polega na wykrywaniu pulsarów. Pulsary to gwiazdy neutronowe, które wirują, zwykle bardzo szybko, w wyniku ciśnienia grawitacyjnego, które je wytworzyło. Ich ogromna grawitacja i szybka rotacja powodują, że wyrzucają energię elektromagnetyczną z obu biegunów magnetycznych. Bieguny te obracają się wraz z gwiazdą neutronową, a jeśli są skierowane w stronę Ziemi, mogą zostać odebrane jako fale radiowe. Efektem są niezwykle szybkie impulsy fal radiowych, gdy dwa bieguny obracają się jeden po drugim w kierunku Ziemi, podczas gdy gwiazda neutronowa obraca się.
Inne gwiazdy neutronowe wytwarzają promieniowanie rentgenowskie, gdy materiały w nich ściskają się i ogrzewają, aż gwiazda wystrzeliwuje promieniowanie rentgenowskie ze swoich biegunów. Poszukując impulsów rentgenowskich, naukowcy mogą znaleźć również te pulsary rentgenowskie i dodać je do listy znanych gwiazd neutronowych.