לא ניתן לצפות יותר בעדויות לקיומו של השלב השני. על סמך מספר הבורות המתוארכים לתקופה זו נטען שבתוך המכלאה הוקם מבנה עץ בערך בתחילת האלף השלישי לפנה"ס. עצים עומדים נוספים הונחו בכניסה הצפון-מזרחית, ונבנתה סדרה מקבילה של עמודים הממשיכה פנימה דרך הכניסה הדרומית. בורות אלה קטנים בהשוואה לבורות אובריי, קוטרם הוא כ-40 ס"מ בלבד והפיזור שלהם אקראי יחסית. גובה הסוללה הופחת וסתימת החפיר באדמה נמשכה. ידוע כי כ-25 בורות אובריי הכילו אפר שנוצר משריפת גופות המתוארכת לתקופה של עד מאתיים שנים לאחר הקמת המונומנט. ההשערה היא כי הבורות הפכו לאתרי קבורה במהלך שלב 2 ללא קשר למטרתם הראשונית המדויקת. בחפיר של המכלאה ובנקודות אחרות בתוך המונומנט, בעיקר בחלקו המזרחי, נמצאו 30 בורות נוספים כאלה. לכן, ההשערה היא כי בתקופה זו שימש סטונהנג' כאתר קבורה לאפר גופות, ונחשב לפיכך לקדום ביותר באיים הבריטיים. בקרקע הממלאת את החפיר נמצאו שרידים של עצמות אנושיות שלא נקברו.
סטונהנג' 3 א (2600 לפנה"ס).
מעדויות שהתגלו במהלך החפירות הארכאולוגיות התברר כי בשנת 2600 לפנה"ס בקירוב ננטש השימוש בעץ, והבנאים שעבדו במקום עברו להשתמש באבן לבנייה. הם חפרו במרכז האתר בורות בצורת חרמשים קונצנטריים (בורות בעלי נקודת מרכז משותפת, שנקראו גם בורות Q ו-R). גם לגבי השלב הזה לא נמצאו עדויות חותכות שיסייעו בקביעת התאריך שבו הוא התרחש. בבורות הונחו עד 80 אבנים עומדות (צבע כחול בתרשים), ו-43 מהן היו בצבע כחול ונודעו בשם האבנים הכחולות או דיוריט (סוג של סלע יסוד). ההשערה הראשונה הייתה שאבנים אלה הובאו על ידי בני האדם מגבעות פרסלי השוכנות ליד העיר המודרנית פמברוקשייר שבוויילס. לפי תאוריה מאוחרת יותר האבנים הובאו למקום מאתר שבו היו סלעים תועים רבים, שנסחפו לכיוון דרום אנגליה על ידי הקרחון האירי הגדול. ייתכן כי אבנים ניצבות אחרות היו קודם לכן סארסנים קטנים (סוג של אבנים באנגליה שנותרו כשריד לסחף של אבן חול), ומאוחר יותר הן שימשו כמשקופים. האבנים, שמשקלן הוא כארבעה טון, היו מורכבות בעיקר מדיוריט אורדוביקי, אך כללו גם ריוליט, טוף, אפר געשי וגירני. גובהן של כל אחת מהאבנים היה שני מטרים, רוחבן נע בין מטר למטר וחצי ועובין הגיע לכשמונים ס"מ. אבן המזבח (1) היא אבן חול סילורית-דבונית שגובהה כפול מזה של האבנים הכחולות, הובאה מדרום פמברוקשייר או מברקון ביקונס (Brecon Beacons). ייתכן גם כי היא ניצבה במקום כמונולית יחיד.
בתקופה זו הורחבה גם הכניסה המזרחית, וכתוצאה מכך היא תאמה באופן מלא את כיוון זריחת השמש באמצע הקיץ ואת כיוון שקיעתה באמצע החורף. אולם, השלב הזה של המונומנט ננטש לפני שבנייתו הסתיימה, האבנים שמילאו את בורות Q ו-R הוסרו, והבורות עצמם נסתמו. למרות זאת נראה כי לקראת סוף הבנייה היה סטונהנג' בעל חשיבות רבה יותר מהמונומנט שבאוובורי, וייתכן כי "הקַשָּת מאמסבורי" (Amesbury Archer - שרידי גופה שהתגלו בשנת 2002 בקבר המתוארך ל-2300 לפנה"ס) היה יכול לראות את האתר כפי שהיה באותה תקופה.
ייתכן כי ההילסטון הוקמה גם היא בתקופה זו מחוץ לכניסה הצפון-מזרחית, למרות שאין ודאות בתיארוך. ההתחלה הייתה כאשר האבן השנייה, שכעת כבר לא ניתן לראות אותה, חוברה להילסטון. בשלב השני, או אולי השלישי, הובאו אבני שער גדולות והוצבו בסמוך לכניסה הצפון-מזרחית, ומהן נותרה כיום רק אבן סלוטר שגובהה 4.9 מטרים. מאפיינים אחרים של סטונהנג' המתוארכים לשלב השלישי כוללים את ארבע תחנות האבן (6), ששתיים מהן ניצבו בראשי תילים (2 ו-3). התילים נודעו כתילי קבורה למרות שלא נקברו בהם מתים. השדרה (10) הייתה זוג מקביל של חפירים ותעלות שהובילה אל נהר אייבון (המפשייר). מסביב לתחנות האבן נחפרו שני חפירים נוספים הדומים לחפיר הילסטון, שבאותה תקופה כבר היה למונולית יחיד.
סטונהנג' 3 ב (2450 עד 2100 לפנה"ס).
השלב המשמעותי הבא בבניית סטונהנג' היה בשלהי האלף השלישי לפנה"ס, שבו הובאו 30 אבנים אוליגוקניות-מיוקניות סארסוניות גדולות אל המחצבה ממרחק של 40 ק"מ צפונית לסטונהנג'. האבנים הונחו בתוך שקעים ומחברים, ושלושים מהן הוצבו במעגל שהיקפו 33 מטרים, ומעל כל אחת מהאבנים שבמעגל הונח משקוף אבן שהוכן בצורה אחידה. גובהה של כל אבן עומדת היה 4.1 מטרים, רוחבה 2.1 מטרים ומשקלה 25 טונות. ניכר מהאבנים כי העבודה עליהן נעשתה בזהירות רבה; האורתוסטאטים (אבן הניצבת על הקרקע וידועה כאלמנט באדריכלות המגליתית) מתרחבים קלות בסמוך לקצה האבן על מנת ששוליהם יוותרו קבועים כאשר הם מורמים ממצב השכיבה על הקרקע, וכאשר אבני המשקוף מעוקלות במקצת על מנת לשמור על רציפות המראה המעגלי של המונומנט. צדדי האבנים הפונים פנימה חלקים מהצדדים הפונים החוצה מהמעגל. עובין הממוצע של אבנים אלה הוא 1.1 מטר והמרחק הממוצע ביניהן הוא מטר בודד. על מנת להשלים את המעגל היה צורך ב-74 אבנים, וייתכן שחלקן נלקחו מהאתר או שבנייתו לא הסתיימה מעולם. אורכן של אבני המשקוף הוא 3.2 מטרים, רוחבן מטר אחד ועוביין 80 ס"מ. קצות המשקופים נמצאים בגובה של 4.9 מטרים מעל פני הקרקע.
בתוך המעגל נצבו חמישה טריליתונים מאבן סארסנית שסודרו בצורת פרסת סוס, כאשר פתח הפרסה פונה לכיוון צפון מזרח. משקלן של כל אחת מעשר אבנים אלה עמד על כ-50 טונות, הן נשאו חמישה משקופים וחוברו זו לזו באמצעות מערכת מחברים מורכבת. האבנים סודרו באופן סימטרי; זוג הטריליתונים הקטן ביותר היה בגובה שישה מטרים, הזוג הבא גבוה במקצת, והטריליתון הגבוה ביותר שנישא לגובה של 7.3 מטרים ניצב בפינה הדרום-מערבית. רק אחד מבין הטריליתונים הללו עדיין עומד; כ-6.7 מטרים מהיקף הפרסה שמעל הקרקע עדיין גלוי, ו-2.4 המטרים הנותרים קבורים מתחת לאדמה.
לפי בדיקות תיארוך פחמן-14 מעריכים כי שלב זה התרחש בין 2440 ל-2100 לפנה"ס.
סטונהנג' 3 ג.
נראה כי בחלק מאוחר יותר של תקופת הברונזה הוצבו האבנים הכחולות מחדש בפעם הראשונה, למרות שהפרטים המדויקים לגבי תקופה זו לא ברורים. האבנים הוצבו בתוך המעגל הסארסני החיצוני, ובמקביל עוצבו מחדש. על חלק מהאבנים יש חריצים מכלי עץ בדומה לאבנים הסארסניות, ועל סמך ממצאים אלו נטען לאפשרות שכל האבנים האלה היו מקושרות זו לזו באמצעות משקופים באותה תקופה, הכל כחלק ממבנה גדול יותר.
סטונהנג' 3 ד (2280 עד 1930 לפנה"ס).
בשלב זה האבנים הכחולות סודרו מחדש והונחו במעגל בין שתי שורות של אבנים סארסניות, ובצורת אליפסה במרכז המעגל. ישנם ארכאולוגים הטוענים כי חלק מהאבנים הכחולות בתקופה זו השתייכו לקבוצה שנייה שהובאה מוויילס. כל האבנים היו מוצבות בצורה מושלמת, כאשר המשקופים לא חיברו ביניהן יותר. ייתכן כי אבן המזבח הועברה לתוך האליפסה והוצבה במאונך. למרות ששלב זה עשוי להיחשב למרשים ביותר מבין שלבי הבנייה של סטונהנג', שלב 3 ד' נבנה בתוך זמן קצר ביחס לשלבים שקדמו לו, כיוון שהאבנים הכחולות הוצבו מחדש בצורה לא טובה והחלו ליפול. אולם, לאחר שלב זה בוצעו רק שינויים מועטים באתר.
סטונהנג' 3 ה (2280 עד 1930 לפנה"ס).
זמן קצר לאחר מכן הוסר החלק הצפון-מזרחי של מעגל האבנים הכחולות שנבנה בשלב 3 ד', וכתוצאה מכך נוצר מבנה בצורת פרסת סוס הידוע כפרסת הסוס הכחולה. המבנה הזה שיקף את הצורה של הטריליתונים הסארסניים שבמרכז, והוא מתוארך לתקופה שבין 2270 ל-1930 לפנה"ס. מראה האתר לאחר שלב זה דומה לסיהנג' שבנורפוק.
תרבות חדשה.
על אחת מהאבנים הסארסניות, הידועה כאבן מספר 53, נמצאו תחריטים של פגיון ו-14 ראשי-גרזן בדגם פטריה. תחריט נוסף של ראשי גרזנים נמצאו על הצדדים הפונים החוצה של אבנים 3, 4 ו-5. ישנו קושי בתיארוך תחריטים אלה, אך מבחינה מורפולוגית הם דומים לכלי נשק מתקופת הברונזה, וסריקות בלייזר שנערכו לאחרונה תומכות בפרשנות זו. על פי החוקרים, כל גרזן מסמל קבר. הגרזנים דמויי הפטריה ו-38 כלי החרס (Beaker pot) שנתגלו בקברים מתקופה זו הם מאפיינים של תרבות הנוודים מערבות יורואסיה (BEAKER CULTURE) שהגיעה לאזור ב-2400 לפנה"ס, וקברים שלהם נתגלו בסביבות סטונהנג' ואייווברי. בדיקת השלדים העלתה כי הם היו גבוהים יותר מהאוכלוסייה שקדמה להם ובעלי שיער בלונדיני/אדום ועיניים כחולות. כנראה שהיו האבות המייסדים של בריטניה כיום. התרבות שקדמה להם ובנתה את סטונהנג' נעלמה.
לאחר המונומנט (1600 לפנה"ס ואילך).
למרות שעבודות הבנייה האחרונות בסטונהנג' בוצעו בשנת 1600 לפנה"ס בקירוב, והשימוש הידוע האחרון באתר היה במהלך תקופת הברזל (ואולי אף במאה ה-7), ואף שבאתר נמצאות מטבעות רומיים, קצה עצם מחודד ושלד של אדם צעיר ממין זכר (המתוארך לתקופה שבין 780 לפנה"ס ל-410 לפנה"ס), אין עדויות חותכות לכך שסטונהנג' נותר בשימוש רציף או כיצד השתמשו בו. הממצאים המעניינים מתקופה זו הם מגילת הקשת מהמאה ה-6 או המאה ה-7, שנחצבה בהילסטון, וקבר של אדם סקסוני שראשו נערף, והמתוארך למאה ה-7. סטונהנג' היה מוכר למלומדים בימי הביניים ומאז הוא נחקר על ידי רבים.
היסטוריה מאוחרת.
הבעלות על סטונהנג' עברה מיד אל יד כמה פעמים מאז שהמלך הנרי השמיני רכש את מנזר אמסבורי ואת אדמותיו. הנרי העניק את האחוזה לרוזן מהרטפורד, ולאחר מכן עברה האחוזה ללורד קרלטון, וממנו אל המרקיז מקווינסברי. משפחת אנטרובוס מצ'שייר רכשה את האחוזה ב-1824, אך מכרה אותה ב-1915 לאחר שאחרון היורשים נהרג בצרפת. ססיל צ'אב רכש את סטונהנג' בתמורה ל-6,000 לירות שטרלינג, ושלוש שנים לאחר מכן העביר את הבעלות על האתר לרשות המדינה.