Mendeteksi bintang neutron memerlukan instrumen yang berbeda dari yang digunakan untuk mendeteksi bintang normal, dan mereka menghindari astronom selama bertahun-tahun karena karakteristiknya yang khas. Bintang neutron secara teknis tidak lagi sama dengan bintang; itu adalah fase yang dicapai beberapa bintang di akhir keberadaannya. Bintang normal membakar bahan bakar hidrogen selama masa hidupnya hingga hidrogen terbakar dan gaya gravitasi menyebabkan bintang berkontraksi, memaksanya masuk ke dalam sampai gas helium melalui fusi nuklir yang sama dengan yang dilakukan hidrogen, dan bintang itu meletus menjadi raksasa merah, suar terakhir sebelum keruntuhan terakhirnya. Jika bintang besar, itu akan menciptakan supernova dari bahan yang mengembang, membakar semua cadangannya dalam satu final yang spektakuler. Bintang-bintang yang lebih kecil dipecah menjadi awan debu, tetapi jika bintang itu cukup besar gravitasinya akan memaksa semua bahan yang tersisa bersama di bawah tekanan besar. Terlalu banyak gaya gravitasi, dan bintang meledak, menjadi lubang hitam, tetapi dengan jumlah gravitasi yang tepat bintang-bintang akan tetap bergabung bersama sebagai gantinya, membentuk cangkang neutron yang sangat padat. Bintang-bintang neutron ini jarang mengeluarkan cahaya dan hanya beberapa mil atau lebih, sehingga sulit untuk dilihat dan sulit dideteksi.
Bintang neutron memiliki dua karakteristik utama yang dapat dideteksi para ilmuwan. Yang pertama adalah bintang neutron gaya gravitasi intens. Terkadang mereka dapat dideteksi oleh bagaimana gravitasi mereka mempengaruhi lebih banyak objek yang terlihat di sekitar mereka. Dengan merencanakan interaksi gravitasi antara benda-benda di ruang angkasa dengan hati-hati, para astronom dapat menentukan dengan tepat tempat bintang neutron atau fenomena serupa berada. Metode kedua adalah melalui deteksi pulsar. Pulsar adalah bintang neutron yang berputar, biasanya sangat cepat, sebagai akibat dari tekanan gravitasi yang menciptakannya. Gravitasi mereka yang luar biasa dan rotasi yang cepat menyebabkan mereka mengalirkan energi elektromagnetik dari kedua kutub magnet mereka. Kutub-kutub ini berputar bersama dengan bintang neutron, dan jika mereka menghadap Bumi, mereka dapat diambil sebagai gelombang radio. Efeknya adalah pulsa gelombang radio yang sangat cepat ketika kedua kutub berputar satu demi satu untuk menghadapi Bumi sementara bintang neutron berputar.
Bintang-bintang neutron lain menghasilkan radiasi X ketika bahan-bahan di dalamnya terkompresi dan memanas hingga bintang itu mengeluarkan sinar-X dari kutub-kutubnya. Dengan mencari pulsa sinar-X, para ilmuwan dapat menemukan pulsar sinar-X ini juga dan menambahkannya ke daftar bintang neutron yang dikenal.