A neutroncsillagok olyan szupernova-robbanások maradványai, melyekben a robbanó csillag tömege jóval meghaladja a Napét. Ma már tudjuk, hogy a 8 naptömegnél nagyobb csillagok II. típusú szupernova-robbanásban fejezik be életüket. A robbanás maradványa a legtöbb esetben neutroncsillag.
A csillag összeomlásakor impulzusmomentuma megmarad és mivel egy naptömegű neutroncsillag sugara csupán néhányszor 10 kilométer, a neutroncsillag igen gyorsan (1 fordulat másodpercenként) forog. Ehhez hasonlóan a csillag mágneses tere is a törpe neutroncsillagba záródik, ezért annak nagysága óriási lehet (a Nap mágneses terének több milliárdszorosa). Márpedig az ilyen erős és gyorsan forgó mágneses tér erős elektromágneses sugárzást bocsát ki. Azóta kiderült, hogy neutroncsillagokat nem csak pulzárként figyelhetünk meg. A Tejútrendszerben felfedeztek olyan röntgensugárzó objektumokat, melyekben normális csillag egy neutroncsillaghoz igen közeli pályán kering.
A neutroncsillag kialakulását lényegében az összeomló csillag óriási nyomása teszi lehetővé. Ugyanis a sűrűség olyan hatalmas lesz, hogy a protonok és elektronok egymásba préselődnek, neutron keletkezik, miközben neutrínók sugárzódnak ki. A neutroncsillag sűrűsége 2*1014 g/cm3, mintha egy kockacukorba zsúfolnánk be a Földön használatban levő összes személyautót. A neutroncsillag neutrínó kibocsátás révén hűlni kezd, de közel 100 évig még több millió fokos. A neutroncsillag ekkor még hatalmas mennyiségű röntgensugárzást bocsát ki, ami felmelegíti a csillag korábban ledobott burkát és világítani kezd. Közel egymillió év alatt a neutroncsillag 10000 fokra hűl, amikorra már a táguló burok is óriásira nőtt és ritkává vált.
A számítások azt mutatják, hogy a neutroncsillagok sugarát nem határozza meg egyértelműen a tömegük. Azaz egy bizonyos tömeg felett nem lehet stabil egy neutroncsillag. Ha a protoneutroncsillag tömege ennél a kritikus értéknél nagyobb, akkor a hűléssel kialakuló neutroncsillag nem marad stabil, hanem tovább zsugorodik, és végül fekete lyukká alakul. Ma azt gondoljuk, hogy a nagy tömegű (40 naptömegnél nagyobb) csillagok összeomlása során nem neutroncsillag, hanem fekete lyuk keletkezik.
A neutroncsillag belső szerkezete négy, jól elkülöníthető héjra bontható. A felületén neutron dús atommagok vannak. Befelé haladva a sűrűség nő, létrehozva a külső és belső kérget, amelyek vékonyak. A külső héj vastagsága csupán néhány méter, itt neutron dús atommagok vannak. A belső héjban már kezdenek felbomlani a magok. A neutroncsillag magjában neutron-proton-elektron-gáz van.
Ha a nagytömegű csillag körül a társcsillaga közeli pályán keringett, akkor a neutroncsillagra anyag áramolhat át (akkréció). Az átáramló anyag korong alakú felhőt képez a neutroncsillag körül. Miközben az anyag a neutroncsillag felületére hull, annak gravitációs potenciális energiája röntgensugárzás formájában szabadul fel. Az ilyen rendszereket röntgenkettősöknek nevezzük. Az anyagátadás során a neutroncsillag forgása gyorsulhat.
