Wykrywanie gwiazd neutronowych wymaga instrumentów, które różnią się od tych używanych do wykrywania normalnych gwiazd, i unikały astronomów przez wiele lat ze względu na ich szczególne cechy. Gwiazda neutronowa technicznie wcale nie jest już gwiazdą; jest to faza osiągana przez niektóre gwiazdy pod koniec ich istnienia. Normalna gwiazda pali się przez swoje paliwo wodorowe w ciągu swojego życia, dopóki wodór nie zostanie spalony, a siły grawitacji powodują, że gwiazda kurczy się, zmuszając ją do wewnątrz, aż gazy helowe przechodzą tę samą fuzję jądrową, co wodór, i gwiazda wybucha w czerwonego olbrzyma, ostatni rozbłysk przed ostatecznym upadkiem. Jeśli gwiazda jest duża, stworzy supernową rozszerzającego się materiału, spalając wszystkie swoje rezerwy w jednym spektakularnym finale. Mniejsze gwiazdy rozpadają się w obłoki pyłu, ale jeśli gwiazda jest wystarczająco duża, jej grawitacja zmusi cały pozostały materiał do siebie pod ogromnym ciśnieniem. Zbyt duża siła grawitacji i gwiazda imploduje, stając się czarną dziurą, ale przy odpowiedniej ilości grawitacji gwiazdy pozostaną stopione, tworząc skorupę niewiarygodnie gęstych neutronów. Te gwiazdy neutronowe rzadko emitują jakiekolwiek światło i mają tylko kilka mil średnicy, co czyni je trudnymi do zobaczenia i trudnymi do wykrycia.
Gwiazdy neutronowe mają dwie podstawowe cechy, które naukowcy mogą wykryć. Pierwszy to intensywna siła grawitacji gwiazd neutronowych. Czasami można je wykryć na podstawie wpływu ich grawitacji na bardziej widoczne obiekty wokół nich. Ostrożnie wykreślając interakcje grawitacji między obiektami w przestrzeni, astronomowie mogą wskazać miejsce, w którym znajduje się gwiazda neutronowa lub podobne zjawisko. Druga metoda polega na wykrywaniu pulsarów. Pulsary są gwiazdami neutronowymi, które wirują, zwykle bardzo szybko, w wyniku wytworzonego przez nie ciśnienia grawitacyjnego. Ich ogromna grawitacja i szybki obrót powodują, że wypływają one z energii magnetycznej z obu biegunów magnetycznych. Te bieguny wirują wraz z gwiazdą neutronową, a jeśli są zwrócone w stronę Ziemi, można je odebrać jako fale radiowe. Efektem tego są bardzo szybkie impulsy fal radiowych, gdy dwa bieguny obracają się jeden po drugim, aby stawić czoła Ziemi, podczas gdy gwiazda neutronowa wiruje.
Inne gwiazdy neutronowe wytwarzają promieniowanie X, gdy zawarte w nich materiały ściskają się i ogrzewają, aż gwiazda wyrzuci promienie X ze swoich biegunów. Szukając pulsów rentgenowskich, naukowcy mogą również znaleźć te pulsary rentgenowskie i dodać je do listy znanych gwiazd neutronowych.