Teoretyczne przewidywanie gwiazd neutronowych zostało pierwszy raz przedstawione w grudniu 1933 na konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego przez Waltera Baade’a i Fritza Zwicky’ego. Zwicky wysunął takie przypuszczenie blisko dwa lata po odkryciu neutronu, wkrótce po eksperymentalnym stwierdzeniu istnienia neutronów we wtórnym promieniowaniu kosmicznym. Odkrycie pulsara przez Antony’ego Hewisha i Jocelyn Bell z Uniwersytetu Cambridge w 1967 potwierdziło istnienie gwiazd neutronowych.

Fizyka thumb|Pulsar Vela Materia skorupy na powierzchni gwiazdy neutronowej składa się z jąder żelaza (Fe) i swobodnych elektronów. Duże ciśnienie podczas zapadania się jądra supernowej oraz malejące odległości między jądrami i elektronami powodują, że te ostatnie łączą się z protonami podczas fazy zwanej neutronizacją materii, co sprzyja ucieczce neutronów z jąder w procesie zwanym wyciekaniem neutronów; wskutek tego powstaje ośrodek składający się głównie z neutronów. Gdy gęstość we wnętrzu gwiazdy przekroczy 4·1011 g/cm³, materia wygląda jak ciągły stan neutronów.

Swobodne neutrony są nietrwałe i rozpadają się po 15 minutach;