Neuro-sama wykorzystuje syntezę mowy do komunikowania się z widzami i osobami uczestniczącymi w transmisjach. Potrafi grać w wybrane gry komputerowe, śpiewać i rozmawiać z użytkownikami czatu w czasie rzeczywistym. Zaimplementowano w niej również system rozpoznawania obrazu, który pozwala jej reagować na zdjęcia, nagrania i obraz transmitowany na żywo.
Wizualna forma Neuro-samy została stworzona w silniku Unity, a jej wygląd nawiązuje do estetyki anime. Początkowo korzystała z przykładowego modelu awatara Hiyori Momose, udostępnionego przez Live2D Ltd. W maju 2023 roku otrzymała model stworzony specjalnie dla niej przez vtuberkę Anny, którego rigging wykonał Otozuki Teru. W grudniu 2024 roku zaprezentowano kolejny model, wzorowany na poprzednim, lecz wyposażony w ulepszoną fizykę animacji. Projekt ponownie przygotowała Anny, a rigging wykonała Kitanya.
Historia Wczesne zastosowanie Według portalu Motherboard projekt był rozwijany od 2018 roku. Neuro-sama została początkowo zaprojektowana jako program oparty na sztucznej inteligencji, którego celem było jak najlepsze opanowanie gry Osu!. Na tym etapie nie miała modelu wizualnego, głosu ani osobowości i nie mogła rozmawiać z widzami.