Neutronitähti on massiivisen tähden painovoimaisesti romahtanut ydin. Kun suuret tähdet käyttävät kaiken ydinpolttoaineensa, ne rakentavat Jupiterin planeetan kokoisen rautasydämen, joka sisältää noin 1.44 aurinkomassaa. Koska rautaytimien fuusio vaatii enemmän energian käyttämistä kuin tuotetaan, ydinfuusio ei enää tuota ydinpainetta, joka tarvitaan estämään tähden romahtaminen itseensä.
Romahduksen viimeisinä hetkinä jättiläistähden rautaydinfaasi muuttuu neutroniumiksi, aineen tilaan, jossa kaikki rautaatomien elektronit ja protonit fuusioituvat yhteen tuottaen vain neutroneja. Koska neutronit ovat neutraaleja, ne eivät hylkää toisiaan, kuten perinteisen aineen negatiivisesti varautuneet elektronipilvet tekevät. Valtava gravitaatioenergia painaa yhteen, neutroniumilla on samanlainen tiheys kuin atomiytimellä, ja itse asiassa koko ydin voidaan nähdä suurena atomiytimenä. Sen valon ja lämmön lähde katkeaa, tähden ulommat kerrokset putoavat sisäänpäin ja pomppaavat sitten takaisin osuttuaan lähes kokoonpuristumatonta neutroniumia vasten. Tuloksena on supernova, prosessi, joka kestää päivistä kuukausiin.
Lopputuloksena on supernovajäännös, neutronitähti, jonka aurinkomassa on 1.35–2.1 ja jonka säde on 20–10 km. Tämä on massa, joka on suurempi kuin Aurinko, joka on tiivistynyt pienen kaupungin kokoiseen avaruuteen. Neutronitähti on niin tiheä, että yksi teelusikallinen sen materiaalia painaa miljardi tonnia (yli 1.1 miljardia tonnia).
Neutronitähden massasta riippuen se voi nopeasti romahtaa mustaksi aukoksi tai jatkaa olemassaoloaan käytännössä ikuisesti. Erilaisia neutronitähtiä ovat radiopulsarit, röntgenpulsarit ja magnetaarit, jotka ovat radiopulsareiden alaluokka. Useimpia neutronitähtiä kutsutaan pulsareiksi, koska ne lähettävät säännöllisiä radioaaltopulsseja tarkan fysikaalisen mekanismin kautta, jota ei täysin ymmärretä, ja ne imevät hitaasti energiaa pois omasta kulmaliikemäärästään.
Jotkut neutronitähdet eivät lähetä näkyvää säteilyä. Tämä johtuu todennäköisestä, koska niiden navoista lähetetään radiopulsseja ja joidenkin neutronitähtien navat eivät ole Maata päin.
Röntgenpulsarit lähettävät röntgensäteitä radioaaltojen sijasta, ja niiden voimanlähteenä on erittäin kuuma sisäänvirtaava aine eikä oma pyörimiskierto. Jos tarpeeksi ainetta putoaa neutronitähteen, se voi romahtaa mustaksi aukoksi.
Voimakkain neutronitähtien lajike on sellainen, joka on peräisin emätähdestä, joka pyörii erittäin nopeasti. Jos tähti pyörii tarpeeksi nopeasti, pyörimisnopeus vastaa sisäisiä konvektiivisia virtoja ja luo luonnollisen dynamon, joka pumppaa romahtavan tähden magneettikentän valtaville tasoille. Tähtiä kutsutaan sitten magnetaariksi. Magnetaarissa on samanlainen magneettikenttä kuin biljoonan tähden arvosta suuritehoisia neodyymimagneetteja, jotka ovat limittäin samassa paikassa.