Detekcia neutrónových hviezd si vyžaduje nástroje, ktoré sa líšia od tých, ktoré sa používajú na detekciu normálnych hviezd, a astronómom unikli mnoho rokov kvôli ich zvláštnym vlastnostiam. Neutrónová hviezda už vôbec nie je hviezdou; je to fáza, do ktorej sa niektoré hviezdy dostanú na konci svojej existencie. Normálna hviezda horí počas svojho života vodíkovým palivom, až kým sa nespáli vodík a gravitačné sily nespôsobia smrť hviezdy, takže ju núti dovnútra, kým plynné hélium neprechádza rovnakou jadrovou fúziou ako vodík. hviezda vybuchne do červeného obra, posledná svetlice pred jej konečným kolapsom. Ak je hviezda veľká, vytvorí supernovu z expandujúceho materiálu a spáli všetky svoje rezervy v jednom veľkolepom finále. Menšie hviezdy sa rozpadnú na prachové oblaky, ale ak je hviezda dosť veľká, jej gravitácia bude tlačiť všetok zvyšný materiál k sebe pod obrovským tlakom. Príliš veľa gravitačnej sily a hviezda imploduje a stáva sa čiernou dierou, ale so správnym množstvom gravitácie zostanú hviezdy namiesto toho spojiť a vytvoria obal neuveriteľne hustých neutrónov. Tieto neutrónové hviezdy zriedkavo vydávajú akékoľvek svetlo a sú naprieč len pár kilometrov, takže sú ťažko viditeľné a ťažko detekovateľné.
Neutrónové hviezdy majú dve základné charakteristiky, ktoré vedci dokážu zistiť. Prvou je intenzívna gravitačná sila neutrónových hviezd. Niekedy ich možno zistiť podľa toho, ako ich gravitácia ovplyvňuje viditeľnejšie objekty okolo nich. Starostlivo vykreslujú interakcie gravitácie medzi objektmi vo vesmíre, astronómovia môžu určiť miesto, kde sa nachádza neutrónová hviezda alebo podobný jav. Druhou metódou je detekcia pulzarov. Pulsary sú neutrónové hviezdy, ktoré sa točia, zvyčajne veľmi rýchlo, v dôsledku gravitačného tlaku, ktorý ich vytvoril. Ich obrovská gravitácia a rýchla rotácia spôsobujú, že prúdia elektromagnetická energia z obidvoch ich magnetických pólov. Tieto póly sa točia spolu s neutrónovou hviezdou a ak čelia Zemi, môžu byť zachytené ako rádiové vlny. Dôsledkom sú extrémne rýchle impulzy rádiových vĺn, keď sa dva póly otáčajú jeden po druhom tak, aby smerovali k Zemi, zatiaľ čo sa neutrónová hviezda točí.
Iné neutrónové hviezdy produkujú X žiarenie, keď sa materiály v nich stlačia a zahrievajú, kým hviezda nevystreďuje röntgenové lúče z pólov. Pri hľadaní röntgenových impulzov vedci nájdu aj tieto röntgenové pulzary a pridajú ich do zoznamu známych neutrónových hviezd.