Na detekciu neutrónových hviezd sú potrebné prístroje, ktoré sa líšia od tých, ktoré sa používajú na detekciu normálnych hviezd, a astronómom sa vďaka svojim zvláštnym vlastnostiam vyhýbali mnoho rokov. Neutrónová hviezda už technicky vôbec nie je na hviezde; je to fáza, ktorú niektoré hviezdy dosiahnu na konci svojej existencie. Normálna hviezda počas svojho života horí cez svoje vodíkové palivo, až kým sa vodík nespáli a sily gravitácie spôsobia, že sa hviezda stiahne, čo núti dovnútra, kým plyny hélia neprechádzajú rovnakou jadrovou fúziou ako vodík, a hviezda prepukne v červeného obra, čo je posledná erupcia pred jej konečným zrútením. Ak je hviezda veľká, vytvorí supernovu expandujúceho materiálu a spáli všetky svoje rezervy v jednom veľkolepom finále. Menšie hviezdy sa rozpadajú na prachové mračná, ale ak je hviezda dostatočne veľká, jej gravitácia prinúti všetok jej zostávajúci materiál pohromade pod obrovským tlakom. Príliš veľa gravitačnej sily a hviezda sa rozpadá a stáva sa čiernou dierou, ale so správnym počtom gravitácie pozostatky hviezdy namiesto toho splynú spolu a vytvoria neuveriteľne hustú škrupinu neutróny. Tieto neutrónové hviezdy zriedka vydávajú svetlo a sú vzdialené len niekoľko kilometrov, takže sú ťažko viditeľné a ťažko detekovateľné.
Neutrónové hviezdy majú dve základné charakteristiky, ktoré vedci dokážu zistiť. Prvým je intenzívna gravitačná sila neutrónovej hviezdy. Niekedy ich možno zistiť podľa toho, ako ich gravitácia ovplyvňuje viditeľnejšie objekty v ich okolí. Dôkladným vykreslením gravitačných interakcií medzi objektmi vo vesmíre môžu astronómovia presne určiť miesto, kde sa nachádza neutrónová hviezda alebo podobný jav. Druhá metóda spočíva v detekcii pulzarov. Pulzary sú neutrónové hviezdy, ktoré sa otáčajú, zvyčajne veľmi rýchlo, v dôsledku gravitačného tlaku, ktorý ich vytvoril. Ich obrovská gravitácia a rýchla rotácia spôsobujú, že z nich vychádzajú elektromagnetická energia z oboch magnetických pólov. Tieto póly sa otáčajú spolu s neutrónovou hviezdou, a ak smerujú k Zemi, môžu byť zachytené ako rádiové vlny. Účinkom sú extrémne rýchle impulzy rádiových vĺn, keď sa dva póly otáčajú jeden za druhým smerom k Zemi, zatiaľ čo sa neutrónová hviezda točí.
Ostatné neutrónové hviezdy produkujú X žiarenie, keď sa materiály v nich stláčajú a zahrievajú, až kým hviezda nevystrelí röntgenové lúče zo svojich pólov. Pri hľadaní röntgenových impulzov môžu vedci nájsť aj tieto röntgenové pulzary a pridať ich do zoznamu známych neutrónových hviezd.