Detektera neutronstjärnor kräver instrument som skiljer sig från de som användes för att upptäcka normala stjärnor, och de avlägsnade astronomer i många år på grund av deras särdrag. En neutronstjärna är tekniskt inte längre en stjärna alls; Det är den fas som några stjärnor når i slutet av deras existens. En normal stjärna brinner genom dess vätebränsle under dess livstid tills vätet brinner upp och tyngdkrafterna gör att stjärnan kommer att samverka, tvinga den inåt tills heliumgaserna går igenom samma kärnfusion som vätet gjorde och stjärnan utbrott i en röd jätte, en sista flare innan den sista kollapsen. Om stjärnan är stor kommer den att skapa en supernova av expanderande material, som bränner upp alla sina reserver i en spektakulär finale. Mindre stjärnor bryts sönder i dammskyer, men om stjärnan är stor nog kommer dess tyngdkraft att tvinga allt sitt kvarvarande material tillsammans under ett enormt tryck. För mycket gravitationskraft, och stjärnan implodes, blir ett svart hål, men med rätt gravitation kommer stjärnans rester att smälta i stället och bilda ett skal av otroligt täta neutroner. Dessa neutronstjärnor ger sällan något ljus och är bara flera mil eller så över, vilket gör dem svåra att se och svår att upptäcka.

Neutronstjärnor har två primära egenskaper som forskare kan upptäcka. Den första är en neutronstjärnans intensiva gravitationskraft. De kan ibland upptäckas av hur deras gravitation påverkar mer synliga föremål runtomkring dem. Genom att noggrant räkna ut tyngdpunktsinteraktionerna mellan föremål i rymden kan astronomer ange platsen där en neutronstjärna eller liknande fenomen ligger. Den andra metoden är genom detektering av pulsar. Pulsar är neutronstjärnor som snurrar, vanligtvis mycket snabbt, till följd av gravitationstrycket som skapade dem. Deras enorma gravitation och snabba rotation gör att de kan strömma ut elektromagnetisk energi från båda sina magnetiska poler. Dessa poler snurrar tillsammans med neutronstjärnan, och om de står inför jorden kan de hämtas som radiovågor. Effekten är den för extremt snabba radiovågspulser, eftersom de två polerna vänder sig efter varandra mot jorden medan neutronstjärnan spinnar.

Andra neutronstjärnor producerar X-strålning när materialen inom dem komprimerar och värmer tills stjärnan skjuter ut röntgenstrålar från polerna. Genom att leta efter röntgenpulser kan forskare hitta dessa röntgenpulser också och lägga till dem på listan över kända neutronstjärnor.