Sinds 1798 hebben een aantal opgravingen bij Stonehenge plaatsgevonden waaruit het volgende geconcludeerd is:

Het Stonehenge-complex werd gebouwd in verschillende fases die samen minstens 1500 jaar overspannen. Er zijn bewijzen voor activiteiten voor en na de eigenlijke bouwfases, waardoor de tijdspanne van "gebruik" van het monument kan geraamd worden op 6500 jaar.

Genetisch onderzoek toonde aan dat het bij de megalietbouwers niet om afstammelingen van de vroegere mesolithische bevolking ging, maar om neolithische immigranten uit het zuidoosten.[1]

De posities van de stenen werd bestudeerd door archeoastronomen.

Er zijn vier (misschien vijf) paalkuilen gevonden onder de huidige toeristenparkeerplaats nabij de site. Die konden gedateerd worden tot rond 8000 v.Chr.

Het eerste monument bestond uit een cirkelvormige verhoging met een gracht van 110 meter diameter in het open grasland. Er was een grote ingang in het noordoosten (zoals de huidige) en een kleinere in het zuiden. De bouwers plaatsten de beenderen van herten en runderen en een paar vuurstenen werktuigen in de bodem van de gracht. De beenderen waren veel ouder dan de geweien die gebruikt werden om de gracht te graven; de mensen die ze begroeven hadden ze blijkbaar een hele tijd bewaard voor ze begraven werden. De kalk die uit de gracht gegraven werd, werd gebruikt om de verhoging te construeren. In de buitenste rand werden ook 56 putten gevonden waarin mogelijk palen zaten.

Zichtbaar bewijs van de tweede fase is er niet langer. Uit het aantal paalkuilen die uit deze periode stammen kon men opmaken dat er binnen de afsluiting een houten bouwwerk aanwezig was in het vroege derde millennium v.Chr. Meerdere staande palen werden geplaatst aan de noordoostelijke ingang en ook aan de zuidelijke ingang. De paalkuilen waren hier kleiner dan die van Stonehenge 1 (ongeveer 40 cm). De grotere kuilen van de vorige fase werden meer en meer als begraafplaats gebruikt. Ook de gracht werd als begraafplaats van assen na een crematie gebruikt. Minstens dertig verschillende crematies werden zo gevonden. Hierdoor wordt Stonehenge meer en meer geïnterpreteerd als een crematie- en begraafplaats, de oudst bekende in het Verenigd Koninkrijk. Er werden ook fragmenten van onverbrande menselijke beenderen gevonden in de gracht. De gevonden potscherven in de onmiddellijke buurt droegen bij tot datering.

Opgravingen toonden aan dat rond 2600 v.Chr. het bouwen met hout werd verlaten ten gunste van steen. In het centrum van de site werden gaten gevonden in de vorm van twee concentrische open cirkels. Dit zijn de zogenoemde Q- en R-gaten. De gaten bevatten tot 80 staande stenen. Men dacht tot voor kort dat de stenen door mensen vanuit Wales tot op de bouwplaats werden gebracht. Volgens een nieuwere theorie zijn ze door gletsjers verplaatst.[2] Andere staande stenen werden later gebruikt als liggende steen. De vier ton wegende stenen waren gehouwen uit gevlekte doleriet uit het Ordovicium maar er waren er ook van ryoliet, tufsteen en kalkhoudende lavasteen. Elke steen was 2 meter hoog, 1 à 1,5 meter breed en ongeveer 80 cm dik. De steen die bekend geraakte als de Altaarsteen kwam uit South Pembrokeshire of Brecon Beacons en stond waarschijnlijk in het monument opgesteld als alleenstaande grote monoliet.

De noordoostelijke ingang werd in deze periode verbreed waardoor hij juist in de richting van de zonsopkomst in midzomer en de zonsondergang in midwinter kwam. Ook werd de Hielsteen, een tertiaire zandsteen, waarschijnlijk in deze periode aan de noordoostelijke ingang geplaatst. Een precieze datering hiervan is niet mogelijk. Van deze periode dateert ook de Avenue, een paar parallel liggende grachten dat drie kilometer loopt vertrekkend vanuit de noordoostelijke ingang.

In de volgende belangrijke fase van bouwactiviteiten aan het eind van het derde millennium v.Chr. werden 30 enorme sarsen-stenen uit het Oligoceen-Mioceen naar de site gebracht. Bij het stapelen van de stenen werden pen-en-gatverbindingen toegepast. De horizontale stenen die bovenop lagen werden onderling verbonden door een messing-en-groefverbinding, ook een klassieke houtbewerkingsverbinding. De stenen van 25 ton zwaar werden bewerkt met het duidelijke idee in gedachten van de open cirkel. De liggende stenen waren lichtjes gebogen. De staande stenen waren naar boven toe breder, om een effect van hoogte te versterken. De binnenkanten van de stenen werden fijner bewerkt dan de buitenkanten. Binnen de buitenste cirkel werden vijf trilithons geplaatst in de vorm van een hoefijzer, met het open einde in de richting van het noordoosten. Het waren gigantische stenen van 50 ton elk op dezelfde wijze met elkaar verbonden als die van de buitenste cirkel. Van de grootste trilithon staat er nog slechts één steen recht. Hij steekt 6 meter 70 boven de grond uit, 2 meter 40 is onder de grond.

De ingekerfde figuren van een "dolk" en 14 "bijlhoofden" werden gevonden op een van de sarsen-stenen. Nog meer bijlhoofden werden gevonden op 3 andere stenen. De afbeeldingen zijn morfologisch conform aan de wapens van de Bronstijd. Deze periode werd gedateerd aan de hand van koolstofdatering tussen 2600 en 2400 v.Chr.[3] In de onmiddellijke nabijheid van de site werden 2 graven ontdekt die van een iets latere tijd dateren. 3 kilometer ten westen van Amesbury werd in 2002 de "Amesbury Archer" gevonden, in 2003 de "Boscombe Bowmen". De "Stonehenge Archer" werd in 1978 al ontdekt in de buitenste gracht van het monument.

In deze periode werden, 2 kilometer van Stonehenge, een grote houten cirkel en een andere Avenue geconstrueerd op de site Durrington Walls. De positionering tegenover de zonsondergang en zonsopkomst op midzomer- en midwinterdag is tegenovergesteld als bij Stonehenge zodat het niet onwaarschijnlijk is dat er processies waren van de ene cirkel naar de andere op de kortste en de langste dag van het jaar. Het lijkt er op dat de cirkel in Durrington hierbij gold als een land van de levenden, waarbij Stonehenge het land van de dood was.[4]

Later in de Bronstijd werden de blauwe stenen voor de eerste keer opnieuw rechtgezet. Exacte gegevens ontbreken hierover nog steeds. De inkervingen tonen aan dat de stenen mogelijk deel werden van een door uit hout opgetrokken structuur.

Er werden blauwe stenen herschikt tot een ovale structuur in het centrum. De altaarsteen werd mogelijk rechtop geplaatst. De nieuwere constructies waren minder grondig in de bodem verankerd waardoor sommige stenen in deze periode begonnen over te hellen. Na deze periode werden nog slechts kleine aanpassingen aan het monument gedaan.

Kort daarna werd de noordoostelijke sectie van de cirkel uit de fase 3 V verwijderd waardoor de vorm van de centrale sarsens gespiegeld werd. Uit deze periode stamt ook Seahenge uit Norfolk.

De periode waarin het monument voor het laatst gebruikt werd is de IJzertijd. Binnen en buiten het monument werden Romeinse en middeleeuwse munten en artefacten opgegraven maar het is niet bekend of de site op dat moment nog een echte functie had.