Å oppdage nøytronstjerner krever instrumenter som er annerledes enn de som ble brukt til å oppdage normale stjerner, og de unngikk astronomer i mange år på grunn av deres særegne egenskaper. En nøytronstjerne er teknisk sett ikke lenger i det hele tatt; det er den fasen noen stjerner når på slutten av deres eksistens. En normal stjerne brenner gjennom hydrogendrivstoffet i løpet av sin levetid til hydrogenet blir brent opp og tyngdekreftene får stjernen til å trekke seg sammen, og tvinger den innover til heliumgassene går gjennom den samme kjernefusjonen som hydrogenet gjorde, og stjernen bryter ut i en rød gigant, en siste bluss før dens endelige kollaps. Hvis stjernen er stor, vil den skape en supernova med ekspanderende materiale, og brenne opp alle reservene i en spektakulær finale. Mindre stjerner brytes fra hverandre i støvskyer, men hvis stjernen er stor nok, vil dens tyngdekraft tvinge alt det gjenværende materialet sammen under enormt trykk. For mye gravitasjonskraft, og stjernen imploderer og blir et svart hull, men med riktig tyngdekraft vil stjernene som gjenstår smelte sammen i stedet og danne et skall med utrolig tette nøytroner. Disse nøytronstjernene gir sjelden lys og er bare flere kilometer, noe som gjør dem vanskelig å se og vanskelig å oppdage.
Neutronstjerner har to primære egenskaper som forskere kan oppdage. Den første er en nøytronstjerner intens gravitasjonskraft. Noen ganger kan de oppdages av hvordan tyngdekraften deres påvirker mer synlige gjenstander rundt seg. Ved å nøye plotte ut interaksjonen mellom tyngdekraften mellom objekter i rommet, kan astronomer kartlegge stedet der en nøytronstjerne eller lignende fenomen befinner seg. Den andre metoden er gjennom påvisning av pulsarer. Pulsarer er nøytronstjerner som snurrer, vanligvis veldig raskt, som et resultat av gravitasjonstrykket som skapte dem. Deres enorme tyngdekraft og raske rotasjon får dem til å strømme ut elektromagnetisk energi fra begge magnetpolene. Disse polene snurrer sammen med nøytronstjernen, og hvis de vender mot Jorden, kan de bli plukket opp som radiobølger. Effekten er den av ekstremt raske radiobølgepulser når de to polene vender hverandre etter hverandre for å møte jorden mens nøytronstjernen snurrer.
Andre nøytronstjerner produserer X-stråling når materialene i dem komprimerer og varmer til stjernen skyter røntgenstråler ut fra polene. Ved å se etter røntgenpulser, kan forskere finne disse røntgenpulsarsene også og legge dem til listen over kjente nøytronstjerner.