Năm 1932, Sir James Chadwick khám phá neutron là một hạt cơ bản,[1] và được trao Giải Nobel Vật lý năm 1935.

Năm 1933, Walter Baade và Fritz Zwicky đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của sao neutron,[2] chỉ một năm sau khi Chadwick khám phá ra neutron. Trong khi tìm cách giải thích nguồn gốc một siêu tân tinh, họ đã cho rằng sao neutron được hình thành trong một siêu tân tinh. Các siêu tân tinh thường bất ngờ xuất hiện như những ngôi sao mới trên bầu trời, độ sáng quang học của chúng có thể lớn hơn toàn bộ ngân hà trong nhiều ngày tới nhiều tuần. Baade và Zwicky khi ấy đã đưa ra giả thuyết rằng sự giải phóng thế năng trọng trường của các sao neutron đã tạo ra năng lượng cho các siêu tân tinh: "Trong quá trình hình thành siêu tân tinh, vật chất chuyển hóa thành năng lượng tỏa ra bên ngoài". Lấy ví dụ, nếu phần trung tâm của một ngôi sao lớn trước khi nó sụp đổ có khối lượng 3 lần khối lượng Mặt Trời, thì một ngôi sao neutron với khối lượng cỡ hai lần Mặt Trời có thể được hình thành sau khi sụp đổ. Phần năng lượng E tỏa ra bên ngoài thu được từ chênh lệch khối lượng, theo công thức E=mc², tương đương với khối lượng Mặt Trời. Chính năng lượng này đã được cung cấp cho siêu tân tinh.

Năm 1967, Jocelyn Bell và Anthony Hewish khám phá ra các xung radio từ một pulsar, sau này được coi là phát ra từ một ngôi sao neutron biệt lập, quay. Nguồn năng lượng là năng lượng quay của sao neutron. Đa số các ngôi sao neutron từng được biết tới đều ở dạng này.

Năm 1971, Riccardo Giacconi, Herbert Gursky, Ed Kellogg, R. Levinson, E. Schreier, và H. Tananbaum khám phá ra các xung 4.8 giây ở một nguồn tia X tại chòm sao Centaurus, Cen X-3. Họ cho rằng nó xuất phát từ một ngôi sao neutron nóng đang quay trên một quỹ đạo quanh ngôi sao khác. Nguồn năng lượng là năng lượng hấp dẫn và có được nhờ số lượng khí rơi vào bề mặt sao neutron.