Arkeologer gjorde upptäckten vid Tresness i söndags på en promenad i dåligt väder på måndag.
Kvarlevorna av 14 hus och stenverktyg, inklusive knivar, har beskrivits som "ett av de största komplexen i bronsålderns bosättning i de skotska öarna".
Fynden på stranden kan vara mer än 4000 år gamla.
Arkeologer tror att husen begravdes av sanddyner i det andra årtusendet f.Kr. - men har nyligen exponerats av väder och hav.
Prof Jane Downes och Christopher Gee, vid University of the Highlands and Islands, Prof Colin Richards, vid University of Manchester och Dr Vicki Cummings vid University of Central Lancashire, gjorde upptäckten.
De var på en strandpromenad till havs för att besöka en känd arkeologisk plats när de såg resterna av husen och stenverktygen.
Prof Downes, som specialiserar sig på bronsåldern, sade: "Detta måste vara ett av de största komplexen i bronsåldern bosättning i de skotska öarna, rivaliserande spridning av hyddor cirklar i andra delar av fastlandet Skottland."
Sandays skala har beskrivits som "oöverträffad i Orkney". Öarna är välkända för Skara Brae Neolithic bosättning.
Cath Parker, ledare för Sanday Archaeology Group, sade: " Det här är otroligt spännande.
"Det arkeologiska landskapet dolt under Sandays växlande sand upphör aldrig att förvåna oss.
"Jag är säker på att lokalsamhället kommer att njuta av möjligheten att vara involverad i något arbete som härrör från denna spännande upptäckt."
Viktiga bronsåldersfynd har gjorts på senare år i andra delar av Skottland.
Skeletal lämningar som hittades vid Drumnadrochit på stranden av Loch Ness identifierades i februari som går tillbaka till den tidiga bronsåldern.
Ett armbandsskydd, för användning med en båge och pil, och skärvor av keramik fanns bland resterna i en grav cist som avslöjades under arbetet att bygga ett nytt hälsocenter.
Bevis på brons och järnålders bosättningar hittades på platsen för det nya Inverness Campus. Kvarlevorna av timmerbyggda rundhus och skördemärken registrerades i East Beechwood.
Skiftande sand har avslöjat ett betydande komplex av bronsålder byggnader i Orkney.