För att upptäcka neutronstjärnor krävs instrument som skiljer sig från de som används för att upptäcka normala stjärnor, och de undvek astronomer i många år på grund av deras särdrag. En neutronstjärna är tekniskt inte längre alls en stjärna; det är den fas som vissa stjärnor når i slutet av sin existens. En normal stjärna brinner genom sitt vätgas under sin livslängd tills vätet bränns upp och tyngdkrafterna får stjärnan att dra ihop sig och tvinga den inåt tills heliumgaserna går igenom samma kärnfusion som vätgas gjorde, och stjärnan bryter ut i en röd jätte, en sista bloss tills den slutliga kollapsen. Om stjärnan är stor kommer den att skapa en supernova av expanderande material som bränner upp alla sina reserver i en spektakulär final. Mindre stjärnor bryts isär i dammmoln, men om stjärnan är tillräckligt stor kommer allvaret att tvinga allt sitt kvarvarande material samman under enormt tryck. För mycket gravitationskraft, och stjärnan imploderar, blir ett svart hål, men med rätt mängd tyngdkraften kommer stjärnornas rester att smälta ihop istället och bilda ett skal av otroligt tätt neutroner. Dessa neutronstjärnor släpper sällan ut något ljus och är bara några miles över, vilket gör dem svåra att se och svåra att upptäcka.
Neutronstjärnor har två primära egenskaper som forskare kan upptäcka. Den första är en neutronstjärns intensiva gravitationskraft. De kan ibland detekteras av hur deras gravitation påverkar mer synliga föremål runt dem. Genom att noggrant planera ut växelverkan mellan föremål i rymden kan astronomer hitta platsen där en neutronstjärna eller liknande fenomen finns. Den andra metoden är genom detektering av pulser. Pulsarer är neutronstjärnor som snurrar, vanligtvis mycket snabbt, som ett resultat av gravitationstrycket som skapade dem. Deras enorma tyngdkraft och snabba rotation får dem att strömma ut elektromagnetisk energi från båda sina magnetiska poler. Dessa poler snurrar tillsammans med neutronstjärnan, och om de vetter mot jorden kan de plockas upp som radiovågor. Effekten är att extremt snabba radiovågspulser när de två polerna vänder varandra mot varandra mot jorden medan neutronstjärnan snurrar.
Andra neutronstjärnor producerar X-strålning när materialen i dem komprimeras och värms upp tills stjärnan skjuter ut röntgenstrålar från sina poler. Genom att leta efter röntgenpulser kan forskare hitta dessa röntgenpulsarer också och lägga till dem i listan över kända neutronstjärnor.