Việc phát hiện các sao neutron đòi hỏi các dụng cụ khác với các sao được sử dụng để phát hiện các ngôi sao bình thường và chúng đã lảng tránh các nhà thiên văn học trong nhiều năm vì các đặc điểm kỳ dị của chúng. Một ngôi sao neutron về mặt kỹ thuật không còn ở một ngôi sao nào cả; đó là giai đoạn mà một số ngôi sao đạt được vào cuối sự tồn tại của chúng. Một ngôi sao bình thường đốt cháy nhiên liệu hydro của nó trong suốt vòng đời của nó cho đến khi hydro bị đốt cháy và lực hấp dẫn khiến ngôi sao co lại, buộc nó vào bên trong cho đến khi khí heli đi qua cùng một phản ứng tổng hợp hạt nhân mà hydro đã làm, và ngôi sao phun trào thành một người khổng lồ đỏ, ngọn lửa cuối cùng trước khi sụp đổ cuối cùng. Nếu ngôi sao lớn, nó sẽ tạo ra một siêu tân tinh mở rộng vật chất, đốt cháy tất cả dự trữ của nó trong một trận chung kết ngoạn mục. Những ngôi sao nhỏ hơn bị phá vỡ thành những đám mây bụi, nhưng nếu ngôi sao đủ lớn, lực hấp dẫn của nó sẽ buộc tất cả các vật chất còn lại của nó lại với nhau dưới áp lực rất lớn. Quá nhiều lực hấp dẫn và ngôi sao nổ tung, trở thành một lỗ đen, nhưng với lực hấp dẫn phù hợp, các ngôi sao vẫn sẽ hợp nhất với nhau, tạo thành một lớp vỏ neutron cực kỳ dày đặc. Những ngôi sao neutron hiếm khi đưa ra bất kỳ ánh sáng và chỉ vài dặm, hay như vậy qua, khiến họ khó có thể nhìn thấy và khó phát hiện.
Sao neutron có hai đặc điểm chính mà các nhà khoa học có thể phát hiện. Đầu tiên là một ngôi sao neutron có lực hấp dẫn cực mạnh. Đôi khi chúng có thể được phát hiện bằng cách lực hấp dẫn của chúng ảnh hưởng đến các vật thể nhìn thấy xung quanh chúng nhiều hơn. Bằng cách cẩn thận vạch ra sự tương tác của lực hấp dẫn giữa các vật thể trong không gian, các nhà thiên văn học có thể xác định chính xác vị trí của một ngôi sao neutron hoặc hiện tượng tương tự. Phương pháp thứ hai là thông qua việc phát hiện các pulsar. Pulsar là những ngôi sao neutron quay, thường rất nhanh, là kết quả của áp lực hấp dẫn đã tạo ra chúng. Trọng lực khổng lồ và chuyển động quay nhanh của chúng khiến chúng phát ra năng lượng điện từ cả hai cực từ của chúng. Các cực này quay cùng với ngôi sao neutron và nếu chúng đang đối mặt với Trái đất, chúng có thể được chọn làm sóng vô tuyến. Hiệu quả là các xung sóng vô tuyến cực nhanh khi hai cực lần lượt nối tiếp nhau để đối mặt với Trái đất trong khi ngôi sao neutron quay tròn.
Các sao neutron khác tạo ra bức xạ X khi các vật liệu bên trong chúng nén và đốt nóng cho đến khi ngôi sao bắn ra tia X từ các cực của nó. Bằng cách tìm kiếm các xung tia X, các nhà khoa học cũng có thể tìm thấy các xung tia X này và thêm chúng vào danh sách các sao neutron đã biết.