1932 年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现中子（因此获得1935年的诺 贝尔物理学奖）。苏联著名物理学家列夫·朗道当时正在丹麦著名物理学家波尔那里进行访问，参加了波尔召集的新发现的中子的讨论。讨论会上，朗道敏锐地推断如果恒星质量超过钱德拉塞卡极限，也不会一直塌缩下去，因为电子会被压进氦原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子。中子星就这样在观测技术并不是很先进的时代被预言。
1934年，巴德和兹威基在《物理评论》上发表文章，认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星，而且指出这个过程可以加速粒子，产生宇宙线。
1939年奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个定量的中子星模型，但他们采用的物态方程是理想的简并中子气模型。中子星是处于演化后期的恒星，在老年恒星的中心形成。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。
1967年，剑桥大学研究生约瑟琳-贝尔在观测中发现一个天体以快速脉冲的形式快速发射电波,每个脉冲包含0.01秒的射电爆发,随后是1.34秒的射电宁静。由于每个脉冲之间的时间间隔惊人的一致且准确,精度甚至可以媲美原子钟。[1] 后来，英国科学家休伊什终于弄清了这种奇怪的电波，原来来自一种前所未知的特殊恒星，即脉冲星。这一新发现使休伊什获得了1974年的诺贝尔奖。一些学者的估计，银河系内中子星的总数至少应该在20万颗以上 ,截至2023年8月,人类在银河系中发现的脉冲星已超过3000个。[2] 其中较为著名的一颗是蟹状星云的中心的一颗脉冲星。