巨石阵的主体是一根根排成一圈的巨大石柱。每根石柱高约4米，宽约2米，厚约1米，重约25吨，其中两根最重的有50吨。在不少石柱的顶端，又横架起一些石梁，形成拱门状。巨石阵的主体是由一根根巨大石柱排列成的几个完整的同心圆。周围由一道深6米多、宽约21米的壕沟勾勒出轮廓。沟是在天然的石灰土里挖出来的，挖出的土方正好作为土岗的材料。紧靠土岗的内侧，56个等距离的坑构成又一个圆圈。由于考古学者奥布里于17世纪首先发现这里，所以这些坑被称为“奥布里坑”。坑用灰土填满，里面还夹杂着人类的骨灰。在这个范
围内有两个巨型方石柱一般大小的圆形石阵，并列在一个小村旁边。这些巨石高约七八米，平均重量28吨左右，直立的石块上还架着巨石的横梁。砂岩圈的内部是5组砂岩三石塔，排列成马蹄形，也称之为拱门，其中最高的一块重达50吨。这个马蹄形位于整个巨石阵的中心线上，开口正好对着仲夏日出的方向。
据考古学家们分析，那平均重达二十五六吨的青色巨石、砂岩石是从30~ 200千米以外运来的。建造者们首先挖出一道圆形的深沟，并把挖出的碎石沿着沟筑成矮墙，然后在沟内侧挖了56个洞，但这些洞挖好之后又被莫名其妙地填平了。也就是说，最令人费解的奥布里
坑就是这一时期所造。约公元前2000年开始的是巨石阵建筑的二期工程，这次最早修筑的是一条两边并行的通道。三期工程大约始于公元前1900年，建成了庞大的巨石圆阵。在其后的500年期间，巨形方石柱的位置被不断调整，二期工程的青石也重新排列，终于形成了欧洲最
庞大的巨石结构。可惜的是双重圆阵西面部分始终没有竣工。
据英国考古学家考证，巨型方石阵于公元前2750年开始建造，距今已将近5000年，其建造时间可能比埃及最古老的金字塔还要早。据估算，以当时的生产力水平，建造巨石阵至少需3000万小时的人工，也就是说，至少需1万人连续工作1年。
在发掘中，始终没有发现用轮载工具或是牲畜的痕迹。建造者们是如何从数十千米甚至数百千米外把巨石运来的?曾有专家组织人用最原始的工具试图把l块重约25吨的巨石从几十千米外运来，但几经努力，都没有成功。从实际操作技巧看，有些巨型石块单靠滚木和绳索，恐怕得用上千人才能移动起来，所以有理由相信，建造者们绝对不是一个未开化的民族。
有人认为，巨石阵很可能是一个刑场。原因是最近从巨石阵挖掘出了一颗年代久远的人类头骨。现代分析技术认为，这是一具男性骨骸，曾有一把利剑将他的头颅齐刷刷地砍下。考古学家在这颗头颅的下颌下发现了一个细微的缺口，同时在第四颈椎上发现了明显的切痕。
由于其墓穴孤独地埋在那里，人们有理由相信，他并非死于一场战争，而是被一柄利剑执行了死刑。在巨石阵及其周围还曾发现数具人类遗骸。1978年，一具完整的人类骨骼在围绕巨石阵周围的壕沟中被发现，这个男人是被像冰雹一样密集的燧石箭射死的。
最近一种流行的说法是，巨石阵有天文观测的功用。早在18世纪，就有人发现巨石阵有以下特点：巨石阵的主轴线指向夏至时日出的方位，巨石阵中现在标记为第93号和94号的两块石头的连线，正好指向冬至时日落的方向。
20世纪初，英国天文学家洛基尔进一步指出，如果站在巨石阵的中央观察，那么第93号石头正好指向立夏(5月6日)和立秋(8月8日)这两天日落的位置，第91号石头则正好指向立春(2月5日)和立冬(11月8日)这两天日出的位置。因此，洛基尔认为，早在建造巨石阵的时代，人们就已经把一年分为8个节令了，即立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至。洛基尔的研究引起了天文学家和考古学家们的浓厚兴趣。他们联想，巨石阵大概是远古时代人们为观测天象而建造的，它很可能就是一座非常非常古老的“天文台”。
20世纪60年代初，一位名叫纽汉的学者宣称，他找到了指向春分日和秋分日日出方位的
标志，并指出91、92、93、94号石头构成了一个矩形，矩形的长边正好指向月出的最南端和月落的最北端。后来，英国天文学家霍金斯用电子计算机进行了大量计算，用巨石阵来预报月食。巨石阵里还有56个围成圈的坑穴，坑内有许多人的头骨、骨灰、骨针和燧石等。霍金斯认为，古人就是用这些坑穴来预告月食的。
后来天文学家霍伊尔更认为巨石阵能预报日食。果真如此的话，那么石阵的建造者在天文学和数学方面的造诣，将远比希腊人、哥白尼甚至牛顿还高。天文学家迈克·桑德斯则认为，石阵是在已经了解太阳系构造的基础上建造的。
对于把巨石阵称为天文台的说法，有人提出疑问：建造者们为什么不用既轻便又很容易从当地得到的木材和泥土来建造这座天文台，而非要到很远的威尔士山区去运来这些大石块呢?再说，上面提到的那些坑穴中的人类墓葬又和天文学有什么关系呢?正是这些疑问，使不少人坚持认为巨石阵实际上是一种神秘的宗教场所，它和天文台根本沾不上边。
现在，又有人提出一种观点，认为巨石阵既可能是用来祭祀的宗教活动场所，又是墓葬场所，同时也可能还是观测天象的天文场所。这就好像在中国已经发掘出的不少古墓那样，其中也都发现了古代的星图。
曾有一块巨石倒塌下来，现代学者们曾试图把它准确地放回原来的位置，但经努力，终难如愿。为此，有位学者指出：在地球上的位置若有几厘米的偏差，在外太空的计算上就可能达到若干光年。
奇怪的是，曾有学者用当前最先进的仪器设备，检测出巨石竟能发出超声波!古人在刀耕火种的时代怎么会知道超声波呢?难道是外星人在遥远的史前时代光顾了英格兰?
