Neutronska zvijezda je gravitacijsko kolabirana jezgra masivne zvijezde. Kada velike zvijezde potroše sve svoje nuklearno gorivo, izgrađuju jezgru od željeza veliku kao planet Jupiter, koja sadrži oko 1.44 solarne mase materijala. Budući da spajanje željeznih jezgri zahtijeva ulaganje više energije nego što je proizvedeno, nuklearna fuzija više ne proizvodi pritisak u jezgri neophodan kako bi se spriječilo da se zvijezda uruši u sebe.
Tijekom posljednjih trenutaka kolapsa, faza željezne jezgre divovske zvijezde mijenja se u neutronij, stanje tvari u kojem su svi elektroni i protoni u atomima željeza spojeni zajedno da ne proizvode ništa osim neutrona. Budući da su neutroni neutralni, ne odbijaju se jedni od drugih kao što to čine negativno nabijeni elektronski oblaci u konvencionalnoj tvari. Potisnut golemom gravitacijskom energijom, neutronij ima sličnu gustoću kao atomska jezgra, a zapravo se cijela jezgra može promatrati kao velika atomska jezgra. Njegov izvor svjetlosti i topline se prekida, vanjski slojevi zvijezde padaju prema unutra, a zatim se odbijaju nakon udaranja o gotovo nestlačivi neutronij. Rezultat je supernova, proces koji traje od dana do mjeseci.
Konačni rezultat je ostatak supernove, neutronska zvijezda između 1.35 i 2.1 sunčeve mase, s polumjerom između 20 i 10 km. Ovo je masa veća od Sunca zgusnutog u prostoru veličine malog grada. Neutronska zvijezda je toliko gusta da jedna čajna žličica njenog materijala teži milijardu tona (preko 1.1 milijardu tona).
Ovisno o masi neutronske zvijezde, ona se može brzo srušiti u crnu rupu ili nastaviti postojati praktički zauvijek. Različite neutronske zvijezde uključuju radio pulsare, rendgenske pulsare i magnetare, koji su potkategorija radio pulsara. Većina neutronskih zvijezda naziva se pulsarima jer emitiraju pravilne impulse radio valova, kroz precizan fizički mehanizam koji nije u potpunosti shvaćen, polako izvlačeći energiju iz vlastitog kutnog momenta.
Neke neutronske zvijezde ne emitiraju vidljivo zračenje. To je vjerojatno zato što se radio impulsi emitiraju s njihovih polova, a polovi nekih neutronskih zvijezda nisu okrenuti prema Zemlji.
Rentgenski pulsari emitiraju rendgenske zrake, a ne radio valove, a pokreću ih ekstremno vruća materija koja pritječe, a ne njihova vlastita rotacija. Ako dovoljno materije padne u neutronsku zvijezdu, može se srušiti u crnu rupu.
Najintenzivnija vrsta neutronske zvijezde je ona koja dolazi od matične zvijezde koja se vrlo brzo rotira. Ako se zvijezda okreće dovoljno brzo, brzina rotacije odgovara unutarnjim konvektivnim strujama i stvara prirodni dinamo, pumpajući magnetsko polje zvijezde u kolapsu do ogromnih razina. Zvijezda se tada naziva magnetar. Magnetar ima magnetsko polje slično kao kod bilijuna zvijezda vrijednih neodimijskih magneta velike snage koji se preklapaju na istom mjestu.