Het detecteren van neutronensterren vereist instrumenten die anders zijn dan die welke worden gebruikt om normale sterren te detecteren, en ze ontweek astronomen vele jaren vanwege hun eigenaardige kenmerken. Een neutronenster is technisch gezien helemaal geen ster meer; het is de fase die sommige sterren bereiken aan het einde van hun bestaan. Een normale ster brandt zijn waterstofbrandstof in de loop van zijn leven totdat de waterstof is opgebrand en de zwaartekrachten ervoor zorgen dat de ster samentrekt, waardoor deze naar binnen wordt gedwongen totdat de heliumgassen dezelfde kernfusie doorlopen als de waterstof, en de ster barst uit in een rode reus, een laatste gloed voor zijn definitieve instorting. Als de ster groot is, creëert hij een supernova van zich uitbreidend materiaal, waarbij al zijn reserves in één spectaculaire finale worden verbrand. Kleinere sterren worden opgedeeld in stofwolken, maar als de ster groot genoeg is, zal de zwaartekracht al het resterende materiaal onder enorme druk samen drukken. Te veel zwaartekracht, en de ster implodeert en wordt een zwart gat, maar met de juiste hoeveelheid zwaartekracht zullen de sterren in plaats daarvan samensmelten en een schil van ongelooflijk dichte neutronen vormen. Deze neutronensterren geven zelden enig licht uit en zijn slechts enkele kilometers over, waardoor ze moeilijk te zien en moeilijk te detecteren zijn.
Neutronensterren hebben twee primaire kenmerken die wetenschappers kunnen detecteren. De eerste is een neutronensterren met intense zwaartekracht. Ze kunnen soms worden gedetecteerd door hoe hun zwaartekracht meer zichtbare objecten om hen heen beïnvloedt. Door zorgvuldig de interacties van zwaartekracht tussen objecten in de ruimte te plotten, kunnen astronomen de plaats bepalen waar een neutronenster of een soortgelijk fenomeen zich bevindt. De tweede methode is door de detectie van pulsars. Pulsars zijn neutronensterren die, meestal erg snel, draaien als gevolg van de zwaartekracht die ze heeft veroorzaakt. 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 naar de aarde zijn gericht, kunnen ze worden opgepikt als radiogolven. Het effect is dat van extreem snelle radiogolfpulsen wanneer de twee polen na elkaar draaien om naar de aarde te kijken terwijl de neutronenster draait.
Andere neutronensterren produceren X-straling wanneer de materialen erin samendrukken en verhitten totdat de ster X-stralen uit zijn polen schiet. Door te zoeken naar röntgenpulsen, kunnen wetenschappers deze röntgenpulsars ook vinden en toevoegen aan de lijst met bekende neutronensterren.