De maximale massa van een neutronenster is ongeveer 2-3 zonsmassa's. Deze limiet wordt bepaald door het evenwicht tussen de ineenstorting door de zwaartekracht en de degeneratiedruk van neutronen. Als de massa van een neutronenster deze limiet overschrijdt, stort hij in tot een zwart gat.

Neutronensterren worden ondersteund tegen de ineenstorting van de zwaartekracht door de degeneratiedruk van neutronen. Deze druk komt voort uit het Pauli-uitsluitingsprincipe, dat verhindert dat neutronen dezelfde kwantumtoestand innemen. Naarmate de dichtheid van een neutronenster toeneemt, worden de neutronen dichter bij elkaar gedwongen en wordt de degeneratiedruk sterker. Bij zeer hoge dichtheden wordt de neutronendegeneratiedruk echter onvoldoende om de ster te ondersteunen tegen instorting door de zwaartekracht.

De exacte maximale massa van een neutronenster hangt af van een aantal factoren, waaronder de samenstelling van de ster en de toestandsvergelijking van nucleaire materie. De meeste schattingen suggereren echter dat de maximale massa ongeveer 2-3 zonsmassa's bedraagt.

Als de massa van een neutronenster deze limiet overschrijdt, stort hij in tot een zwart gat. Een zwart gat is een gebied in de ruimtetijd met zulke sterke zwaartekrachten dat niets, zelfs licht niet, eraan kan ontsnappen. Er wordt aangenomen dat neutronensterren die ineenstorten tot zwarte gaten de voorlopers zijn van zwarte gaten met een stellaire massa.