Neutroninė žvaigždė yra gravitaciniu būdu sugriuvusi didžiulės žvaigždės šerdis. Kai didelės žvaigždės sunaudoja visą savo branduolinį kurą, jos sukaupia geležies šerdį, kurios dydis prilygsta Jupiterio planetai, kuriame yra apie 1.44 saulės masės medžiagos. Kadangi norint sulieti geležies branduolius, reikia įdėti daugiau energijos, nei pagaminama, branduolių sintezė nebesukuria branduolio slėgio, būtino, kad žvaigždė nesugriūtų pati.
Paskutinėmis žlugimo akimirkomis milžiniškos žvaigždės geležies šerdies fazė pavirsta į neutronį – materijos būseną, kai visi geležies atomų elektronai ir protonai susilieja ir susidaro tik neutronai. Kadangi neutronai yra neutralūs, jie neatstumia vienas kito, kaip tai daro neigiamą krūvį turintys elektronų debesys įprastoje medžiagoje. Neutronio tankis yra panašus į atomo branduolį, o jį stumia didžiulė gravitacinė energija, o iš tikrųjų visą šerdį galima žiūrėti kaip į didelį atomo branduolį. Jos šviesos ir šilumos šaltinis nutrūksta, išoriniai žvaigždės sluoksniai patenka į vidų, tada atsimuša atgal, atsitrenkę į beveik nesuspaudžiamą neutronį. Rezultatas yra supernova, procesas, kuris trunka nuo dienų iki mėnesių.
Galutinis rezultatas yra supernovos liekana, neutroninė žvaigždė, kurios Saulės masė yra nuo 1.35 iki 2.1, o spindulys nuo 20 iki 10 km. Tai masė, didesnė už Saulę, kondensuota mažo miesto dydžio erdvėje. Neutroninė žvaigždė yra tokia tanki, kad vienas arbatinis šaukštelis jos medžiagos sveria milijardą tonų (daugiau nei 1.1 milijardo tonų).
Priklausomai nuo neutroninės žvaigždės masės, ji gali greitai subyrėti į juodąją skylę arba egzistuoti praktiškai amžinai. Įvairios neutroninės žvaigždės apima radijo pulsarus, rentgeno spindulių pulsarus ir magnetarus, kurie yra radijo pulsarų subkategorija. Dauguma neutroninių žvaigždžių vadinamos pulsarais, nes jos skleidžia reguliarius radijo bangų impulsus per tikslų fizinį mechanizmą, kuris nėra visiškai suprantamas, lėtai siurbdamos energiją iš savo kampinio impulso.
Kai kurios neutroninės žvaigždės neskleidžia matomos spinduliuotės. Taip yra todėl, kad iš jų polių skleidžiami radijo impulsai, o kai kurių neutroninių žvaigždžių poliai nėra atsukti į Žemę.
Rentgeno spindulių pulsarai skleidžia rentgeno spindulius, o ne radijo bangas, o juos maitina itin karšta įtekanti medžiaga, o ne jų pačių sukimasis. Jei į neutroninę žvaigždę patenka pakankamai medžiagos, ji gali subyrėti į juodąją skylę.
Intensyviausia neutroninių žvaigždžių įvairovė yra ta, kuri kilusi iš pirminės žvaigždės, kuri labai greitai sukasi. Jei žvaigždė sukasi pakankamai greitai, sukimosi greitis atitinka vidines konvekcines sroves ir sukuria natūralų dinamą, pumpuojantį griūvančios žvaigždės magnetinį lauką iki milžiniško lygio. Tada žvaigždė vadinama magnetaru. Magnetaras turi magnetinį lauką, panašų į trilijono žvaigždžių vertės didelės galios neodimio magnetų, persidengiančių toje pačioje vietoje, magnetinį lauką.