De kern van een ster die zwaarder is dan ongeveer acht keer de massa van de zon, is aan het eind van haar leven zo compact geworden dat de druk die door de elektronen wordt opgewekt niet voldoende is om de zwaartekracht te compenseren. De kern stort in elkaar in een supernova-explosie. Wat overblijft is een neutronenster die zo compact is dat alle elektronen samensmelten met de aanwezige protonen uit de atoomkernen tot neutronen. De zwaartekracht die nu nog veel sterker is, wordt gecompenseerd door de druk van de kernkrachten tussen de neutronen.

Een neutronenster is ongeveer anderhalf keer zo zwaar als de zon, maar heeft een straal van slechts 10 kilometer. Ter vergelijking: de zon heeft een straal van 695500 km. De dichtheid van een neutronenster is dan ook onvoorstelbaar groot: net zo groot als de massa van alle mensen op aarde in één kubieke centimeter gepropt!

Neutronensterren hebben over het algemeen een sterk magneetveld en draaien heel snel rond, soms wel een paar honderd keer per seconde. Hierdoor zenden ze radiostraling uit. Omdat deze straling alleen in een nauwe bundel langs het magneetveld kan ontsnappen en omdat neutronensterren roteren zien we ze, wanneer die bundel ook richting de aarde uitgezonden wordt, als pulserende radiobronnen: pulsars. Schematische weergave van een pulsar.

Chandra röntgenopname van de Krabnevel. In het centrum zit een pulsar die dertig keer per seconden om zijn as draait. Vier plaatjes in verschillende golflengtegebieden van de pulsar in de Krabnevel (rotatieperiode van 30 seconden).

Ook in dubbelsterren geven neutronensterren aanleiding tot bijzondere verschijnselen. Er zijn een aantal dubbelsterren waarin beide sterren een neutronenster zijn. In één van deze systemen is de verandering van de omloopperiode gemeten die wordt veroorzaakt doordat de twee compacte sterren gravitatiestraling uitzenden. In röntgendubbelsterren valt er materie van een gewone ster op een neutronenster, waarbij heel veel röntgenstraling vrijkomt.

Wanneer een neutronenster onderdeel is van een dubbelstersysteem kan hij materie van zijn begeleidende ster overnemen, dit heet accretie. De neutronenster wordt hierdoor zwaarder. Wanneer hij zwaarder wordt dan ongeveer drie keer de massa van de zon, is de druk tussen de afzonderlijke neutronen niet meer groot genoeg om de zwaartekracht op te heffen. De neutronenster zal dan ineenstorten tot een zwart gat.