通常の恒星と中性子星やブラックホールなどの高密度星との近接連星系で、相手の星から高密度星への質量降着で強いX線が放射されるもの。近接連星系の一方が巨星となりロッシュローブを超えて膨張すると、伴星への質量移動が起こる。
伴星が比較的小質量星の場合、物質は星の周りに形成される降着円盤を経て星の表面に落下する。これは小質量X線連星系（Low Mass X-ray Binary, LMXB）と呼ばれる。伴星が重い星（早期型星）の場合、星の表面からは絶えずガスが放出されている（星風という）。星風は一般に、星の質量が大きいほど大きい。このガスの一部が高密度天体に捕えられると、やはり高密度天体の周りに降着円盤ができて、高密度天体はX線で明るく輝く。これが大質量X線連星系（High Mass X-ray Binary, HMXB）である。はじめて確実なブラックホール候補となったはくちょう座X-1（Cyg X-1）は大質量X線連星系である。
これから分かるように、X線は恒星質量ブラックホールの候補を見つけるための極めて有効な手段である。X線連星系を発見し光学対応天体が同定され、スペクトルから連星の軌道周期などが分かれば、質量の推定ができブラックホールかどうか判定できる。1970年代の初めから世界中でほぼ途切れることなくX線天文衛星による観測が続けられ、2022年現在銀河系（天の川銀河）内で70個近くのブラックホール候補が発見されている。これらのうちの35個については銀河系内の分布が分かっている。
またチャンドラ衛星のような角度分解能の高いX線天文衛星で銀河を観測すると、多数の点状X線源が見られる。これらはブラックホールか中性子星を含むX線連星系である。