Bên trong sao neutron, có một lõi siêu mật độ với hơn 1,4 đến 2 lần khối lượng Mặt trời được nén lại trong một không gian rất nhỏ. Lõi này chứa các hạt tử nặng, chủ yếu là neutron, do đó được gọi là "sao neutron".

Sao neutron được tạo ra trong quá trình phản ứng hạt nhân trong các vụ nổ siêu nova hoặc trong quá trình sự sụp đổ của một sao khối lượng lớn sau khi nổ thành một vụ nổ siêu tân tinh (supernova). Trong quá trình này, áp suất hạt nhân không còn đủ để chống lại sự sụp đổ do trọng lực, dẫn đến sự nén chất liệu hạt nhân và tạo ra một lõi siêu mật độ.

Quá trình tạo ra sao neutron diễn ra như sau:
1. Một sao khối lượng lớn tiến vào giai đoạn cuối cùng của sự tiến hóa sao, khi hết nhiên liệu hạt nhân để cháy.
2. Trọng lực sụp đổ lõi sao, tạo ra áp suất và nhiệt độ cao đủ để kích hoạt các quá trình phản ứng hạt nhân mới.
3. Các nguyên tử trong lõi sao bị nén lại, tạo ra một lực đẩy hạt nhân lên nhau.
4. Áp suất hạt nhân không còn đủ để chống lại sự sụp đổ do trọng lực, dẫn đến sự nén chất liệu hạt nhân.
5. Trong quá trình nén, các proton và electron trong hạt nhân kết hợp lại để tạo thành neutron và neutrino.
6. Lõi sao bị nén lại thành một lõi siêu mật độ, chỉ chứa các hạt tử nặng, chủ yếu là neutron.
7. Lõi sao neutron có thể tiếp tục tồn tại và tỏa sáng trong một thời gian ngắn, trước khi dần dần mất đi năng lượng và trở thành một vật thể vô hình gọi là "sao neutron lạnh".