A detecção de estrelas de nêutrons requer instrumentos diferentes daqueles usados para detectar estrelas normais, e eles iludiram os astrônomos por muitos anos por causa de suas características peculiares. Tecnicamente, uma estrela de nêutrons não é mais uma estrela; é a fase que algumas estrelas alcançam no final de sua existência. Uma estrela normal queima seu combustível de hidrogênio ao longo de sua vida até que o hidrogênio seja queimado e as forças da gravidade façam com que a estrela se contraia, forçando ele para dentro até que os gases de hélio passam pela mesma fusão nuclear que o hidrogênio fez, e a estrela irrompe em uma gigante vermelha, uma última erupção antes de seu colapso final. Se a estrela for grande, ela criará uma supernova de material em expansão, queimando todas as suas reservas em um final espetacular. Estrelas menores são quebradas em nuvens de poeira, mas se a estrela for grande o suficiente, sua gravidade forçará todo o seu material remanescente a se unir sob enorme pressão. Muita força gravitacional, e a estrela implode, tornando-se um buraco negro, mas com a quantidade certa da gravidade, os restos da estrela se fundirão, formando uma concha incrivelmente densa nêutrons. Essas estrelas de nêutrons raramente emitem qualquer luz e têm apenas vários quilômetros de diâmetro, tornando-as difíceis de ver e difíceis de detectar.
As estrelas de nêutrons têm duas características principais que os cientistas podem detectar. O primeiro é a intensa força gravitacional de uma estrela de nêutrons. Às vezes, eles podem ser detectados pela forma como sua gravidade afeta objetos mais visíveis ao seu redor. Ao traçar cuidadosamente as interações da gravidade entre os objetos no espaço, os astrônomos podem apontar o lugar onde uma estrela de nêutrons ou fenômeno semelhante está localizado. O segundo método é através da detecção de pulsares. Os pulsares são estrelas de nêutrons que giram, geralmente muito rápido, como resultado da pressão gravitacional que os criou. Sua enorme gravidade e rotação rápida fazem com que eles transmitam energia eletromagnética de ambos os pólos magnéticos. Esses pólos giram junto com a estrela de nêutrons e, se estiverem voltados para a Terra, podem ser captados como ondas de rádio. O efeito é o de pulsos de ondas de rádio extremamente rápidos quando os dois pólos giram um após o outro para ficar de frente para a Terra enquanto a estrela de nêutrons gira.
Outras estrelas de nêutrons produzem radiação X quando os materiais dentro delas se comprimem e aquecem até que a estrela emita raios X de seus pólos. Ao procurar por pulsos de raios-X, os cientistas podem encontrar esses pulsares de raios-X também e adicioná-los à lista de estrelas de nêutrons conhecidas.