Voor het detecteren van neutronensterren zijn instrumenten nodig die anders zijn dan die voor het detecteren van normale sterren, en zij hebben astronomen gedurende vele jaren ontweken vanwege hun eigenaardige kenmerken. Een neutronenster zit technisch gezien helemaal niet meer in een ster; het is de fase die sommige sterren bereiken aan het einde van hun bestaan. Een normale ster verbrandt door zijn waterstofbrandstof in de loop van zijn leven totdat de waterstof is opgebrand en de zwaartekracht ertoe leidt dat de ster samentrekt, waardoor deze naar binnen wordt gedwongen totdat de heliumgassen door dezelfde kernfusie gaan als de waterstof, en de ster barst uit in een rode reus, een laatste uitbarsting voor zijn definitieve instorting. Als de ster groot is, zal hij een supernova van uitdijend materiaal creëren, waarbij alle reserves worden opgeblazen in een spectaculaire finale. Kleinere sterren worden uit elkaar gehaald in stofwolken, maar als de ster groot genoeg is, zal de zwaartekracht al het resterende materiaal samen onder enorme druk samenbinden. Te veel zwaartekracht, en de ster implodeert, en wordt een zwart gat, maar met de juiste hoeveelheid zwaartekracht zullen de resten van de ster in plaats daarvan samensmelten en een schaal van ongelooflijk dichte neutronen vormen. Deze neutronensterren geven zelden licht en zijn slechts enkele kilometers of zo breed, waardoor ze moeilijk te zien en moeilijk te detecteren zijn.

Neutronensterren hebben twee primaire kenmerken die wetenschappers kunnen detecteren. De eerste is de intense zwaartekracht van een neutronenster. Ze kunnen soms worden gedetecteerd door de invloed van de zwaartekracht op zichtbaardere objecten om hen heen. Door zorgvuldig de wisselwerkingen van de zwaartekracht tussen objecten in de ruimte uit te zetten, kunnen astronomen de plaats bepalen waar een neutronenster of een soortgelijk fenomeen zich bevindt. De tweede methode is door het detecteren van pulsars. Pulsars zijn neutronensterren die, meestal erg snel, draaien als gevolg van de zwaartekracht die ze veroorzaakte. Hun enorme zwaartekracht en snelle rotatie zorgen ervoor dat ze elektromagnetische energie uit beide magnetische polen laten stromen. Deze polen draaien mee met de neutronenster en als ze de aarde aankijken, kunnen ze worden opgevangen als radiogolven. Het effect is dat van extreem snelle radiogolfpulsen wanneer de twee polen zich een voor een naar de aarde draaien terwijl de neutronenster draait.

Andere neutronensterren produceren X-straling wanneer de materialen erin comprimeren en verwarmen tot de ster schiet röntgenstralen uit zijn polen. Door te zoeken naar röntgenpulsen, kunnen wetenschappers deze X-ray pulsars ook vinden en toevoegen aan de lijst met bekende neutronensterren.