Se la massa stellare supera il limite di Chandrasekhar di 1,4 masse solari, il gas elettronico non riesce più a sostenere la forza gravitazionale: il materiale stellare si schiaccia ancora di più che in una nana bianca. Un atomo che è originariamente composto di un nucleo formato di protoni e neutroni e circondato da una nube di elettroni, alle densità delle nane bianche si è ridotto al nudo nucleo. All'aumentare della pressione gravitazionale gli elettroni premono contro questi nuclei e, reagendo coi protoni di questi, danno luogo a neutroni. Si creano così dei nuclei sproporzionatamente ricchi di neutroni rispetto a quanto si osserva in natura; le forze di legame che tengono uniti questi strani nuclei diventano sempre più deboli al crescere della proporzione di neutroni e, se la densità del gas continua ad aumentare, i nuclei stessi scompaiono per lasciar posto a un gas composto quasi esclusivamente di neutroni liberi. È questa la stella di neutroni la cui densità è quasi 2000 volte superiore a quella di una nana bianca (la massa di un neutrone è infatti 1840 volte superiore a quella di un elettrone) e di conseguenza il raggio assai inferiore: una stella di neutroni si presenta come un corpo di circa 10 Km. di raggio e con una temperatura superficiale di vari milioni di gradi.

Queste speculazioni teoriche elaborate prima della seconda guerra mondiale restarono prive di qualsiasi prova sperimentale fino a quando, nel 1967, furono scoperte le strane pulsazioni a brevissimo periodo di lilla radiosorgente nota come CP1919. Alla scoperta di questa prima pulsar ne seguirono numerose altre e la loro identificazione con le stelle di neutroni fu quasi immediata. Infatti una variabilità dell'emissione (che non è solo radio, ma anche ottica, come fu scoperto più tardi) che si riproduce con grande regolarità e con periodi uguali o inferiori a un secondo deve essere prodotta da un corpo in rapida rotazione. Affinché un corpo possa ruotare con periodo così breve, bisogna che abbia dimensioni molto ridotte e le sole stelle che soddisfano a tale requisito sono le stelle di neutroni.

Anche senza prendere in considerazione i problemi connessi con la stabilità di un corpo di grandi dimensioni e in rapida rotazione, è facile arguire che le pulsar devono essere stelle di piccolo raggio. Infatti la luce viaggia con velocità che per quanto elevata è pur sempre fornita; la radiazione proveniente dai vali punti del disco visibile di un corpo in rapida rotazione non deve percorrere un cammino superiore alla durata dell'impulso moltiplicata per la velocità della luce e se la durata dell'impulso è breve, breve deve essere anche il cammino corrispondente al raggio della stella. In caso contrario la luce che arriva dai vari punti della stella non sarà più in fase e si perderebbe la percezione elio tale rapida rotazione. Ad esempio, se la durata dell'impulso è di 20 millisecondi, il raggio della stella deve essere inferiore al cammino percorso dalla luce in 20 millisecondi, pari a 6000 chilometri, inferiore al raggio della Terra. Ragioni di stabilità meccanica riducono ulteriormente tale valore.

Resta ancora da chiarire la causa degli impulsi osservati. Dallo studio delle stelle variabili si sa che il periodo con cui queste pulsano è inversamente proporzionale alla radice quadrata della loro densità media. Una stella di neutroni che oscillasse con lo stesso meccanismo avrebbe un periodo dell'ordine di un centesimo di secondo, inferiore a quello effettivamente osservato. Il meccanismo che regola gli impulsi delle stelle di neutroni deve essere perciò diverso. Le teorie a questo proposito sono ancora in fase di evoluzione; è comunemente accettato che una pulsar emette i segnali radio e luminosi che osserviamo in modo simile a quello di un faro: a ogni rotazione del sistema ottico un fascio di luce spazzola il mare circostante. Ma la ragione per cui la radiazione di una stella di neutroni emerge in una direzione privilegiata non è ancora chiara. Secondo una delle ipotesi più accreditate l'asse magnetico delle pulsar, che sono stelle di neutroni fortemente magnetizzate, non sarebbe allineato con l'asse di rotazione della stella. La radiazione emergente dalla stella è incanalata lungo la direzione del campo magnetico e produrrebbe così l'effetto di faro osservato. Se questa è la reale spiegazione del fenomeno ne segue che solo una piccola frazione delle pulsar esistenti può essere osservata e scoperta dalla Terra e precisamente solo quella frazione di esse che hanno un campo magnetico il cui asse durante la rotazione si rivolge in direzione della Terra.

La prolungata osservazione delle pulsar note ha messo in evidenza ulteriori particolari di questi oggetti. Innanzitutto i periodi con cui si susseguono gli impulsi pur essendo estremamente regolari tendono ad allungarsi con il trascorrere del tempo. Il periodo più corto che conosciamo è quello della pulsar nella nebulosa Granchio: esso si allunga di  secondi a giorno. Questo rallentamento si spiega così: la pulsar perde una quantità di energia rotazionale che corrisponde esattamente all'energia irraggiata dalla nebulosa Granchio, con conseguente allungamento del periodo.

Un fenomeno che ha sorpreso gli scienziati è piuttosto quello opposto: alle volte si è osservata una momentanea rapida diminuzione del periodo sia nella pulsar del Granchio sia in quella della Vela. Il modello di una stella di neutroni (la cui densità è tale che un cucchiaino della materia di cui è formata peserebbe circa un miliardo di tonnellate) prevede l'esistenza di una crosta superficiale solida al di sotto della quale esiste il superfluido costituito prevalentemente di neutroni e sopra la quale tutti gli strati atmosferici sono concentrati in uno spessore globale di pochi centimetri. A intervalli di tempo difficili da prevedere si verificherebbero degli assestamenti della stella e analogamente a quanto accade sulla Terra a questi assestamenti sarebbero associati terremoti della sottile crosta solida. Le ripercussioni che hanno questi terremoti sulla struttura della stella possono essere studiate analizzando l'alterazione nel ritmo di successione degli impulsi della pulsar. Attraverso questo studio si spera di arrivare a una maggiore conoscenza della struttura della materia di neutroni.