由于中子质量大于质子质量和电子质量之和，因此自由中子是不稳定的，其衰变能为0.782兆电子伏。鉴于中子衰变的重要意义，自20世纪50年代以来，人们用不同的实验方法对中子衰变的平均寿命进行了许多测量，但结果相差很大。80年代以后，科学家采用“束法”和“瓶法”进行测量，得到了较为精确的结果。所谓“束法”，就是让中子束通过探测器，测量中子衰变时出现的质子数目。所谓“瓶法”，是将自由中子捕获在一个接近绝对零度的真空瓶中，借磁力抵消重力让中子悬浮起来，计算衰变剩余中子的数量。 “束法”已经在美国国家标准技术研究所（NIST）使用了30余年。2013年他们报道了887.7±3.1秒的中子平均寿命。“瓶法”已被美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）和法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所（ILL）用于测量。2008年，法俄科学家的联合实验给出了878.5±1秒的结果，比“束法”短了约9秒。这大大超出了两种方法的测量不确定度，原因目前还不清楚，是一个尚待解决的问题。2017 至2019年间，美国LANL采用“瓶法”，将超冷中子存放在一个接近绝对0^o的容器中，然后在30～90分钟之后检测剩余中子数目，共计检测了3800余万个中子，得到了877.75±0.28秒自由中子衰变的平均寿命。这是迄今为止最精确的结果。根据标准模型理论，约有千分之一的自由中子在衰变时会释放出γ射线，这种γ射线是内轫致辐射的结果，即当衰变中释放出的电子在质子产生的电磁场中运动时，高速运动的电子骤然减速所发出的辐射。还有大约百万分之四的自由中子衰变时会发生所谓的双体衰变，即在此衰变中，电子在产生后未能获得13.6电子伏以上的足够能量脱离质子，于是和质子生成一个中性的氢原子。此衰变反应的所有能量几乎都转换为反电子中微子的动能。在原子核中的中子大多数是稳定的，因为根据原子核壳模型，原子核中的中子和质子都处于能量较低的量子态中；在稳定原子核中比中子能态更低的质子能态已被质子填满，中子衰变产生的质子不能进入更低的质子能态，因此没有中子衰变发生。在不稳定的原子核中存在着能量上允许的质子的量子态，供中子衰变产生的质子占用，因此就有可能发生原子核内中子的衰变。例如，¹⁴C（6个质子，8个中子）β衰变成¹⁴N（7个质子，7个中子）的过程中，就有一个中子衰变。一般来说，处于β稳定线的原子核中的中子是稳定的，但在远离β稳定线的丰中子核和中子滴线核中，中子则是不稳定的，要进行β衰变。这些核中的中子衰变寿命就是这些核的β衰变寿命。