Neutronitähtien havaitseminen vaatii instrumentteja, jotka ovat erilaisia kuin normaaleiden tähtijen havaitsemiseksi käytettävät, ja ne kiertävät tähtitieteilijöitä monien vuosien ajan ominaispiirteidensä vuoksi. Neutronitähti ei ole teknisesti enää ollenkaan; se on vaihe, jonka jotkut tähdet saavuttavat olemassaolonsa lopussa. Normaali tähti palaa vetypolttoaineensa läpi elinkaarensa ajan, kunnes vety on palanut ja painovoimat aiheuttavat tähtien supistumisen, pakottaen sen sisäänpäin, kunnes heliumkaasut käyvät läpi saman ydinfuusion, jonka vety teki, ja tähti purkautuu punaiseksi jättiläiseksi, viimeksi paisuneeksi ennen sen lopullista romahtamista. Jos tähti on suuri, se luo laajenevasta materiaalista supernoovan, polttaen kaikki sen varannot yhteen mahtavaan finaaliin. Pienemmät tähdet hajotetaan pölypilviksi, mutta jos tähti on riittävän suuri, sen painovoima pakottaa kaiken jäljellä olevan materiaalinsa yhteen valtavan paineen alaisena. Liian paljon painovoimaa ja tähti räjähtää, jolloin muodostuu musta aukko, mutta oikealla painovoimalla tähdet jäävät sulautuvat yhdessä sen sijaan muodostaen uskomattoman tiheiden neutronien kuoren. Nämä neutronitähdet antavat harvoin valoa ja ovat vain muutaman mailin päässä, joten niitä on vaikea nähdä ja vaikeasti havaita.
Neutronitähteillä on kaksi pääominaisuutta, jotka tutkijat voivat havaita. Ensimmäinen on neutronitähtien voimakas painovoima. Ne voidaan joskus havaita sen perusteella, kuinka heidän painovoimansa vaikuttaa paremmin näkyviin kohteisiin ympärillä. Piirrämällä huolellisesti avaruuden esineiden väliset painovoiman vuorovaikutukset, tähtitieteilijät voivat määrittää paikan, jossa neutronitähti tai vastaava ilmiö sijaitsee. Toinen menetelmä on pulsaarien havaitseminen. Pulsaarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörittävät, yleensä erittäin nopeasti, heitä luoneen painovoimapaineen seurauksena. Niiden valtava painovoima ja nopea pyöriminen saavat heidät virtaamaan sähkömagneettista energiaa molemmista magneettinapoistaan. Nämä pylväät pyörivät yhdessä neutronitähden kanssa, ja jos ne ovat kohti maata, ne voidaan poimia radioaaltoina. Vaikutus on erittäin nopeilla radioaaltopulsseilla, kun kaksi napaa kääntyvät peräkkäin kohti maata kasvot kohti, kun neutronitähti pyörii.
Muut neutronitähdet tuottavat röntgensäteilyä, kun niiden sisällä olevat materiaalit puristuvat ja kuumenevat, kunnes tähti ampuu röntgensäteet sen napoilta. Tutkimalla röntgenpulsseja, tutkijat voivat löytää myös nämä röntgenpulssit ja lisätä ne tunnettujen neutronitähtien luetteloon.