De nombreuses hypothèses ont été émises sur la chronologie de la mise en place des pierres sur le site. C'est celle de l'archéologue Richard Atkinson qui est majoritairement retenue aujourd'hui. Par des techniques de datation au carbone 14, il identifie quatre phases de construction distinctes.
La première s'étale de 2800 à 2100 avant J.-C. À cette époque, le monument est réduit à un seul anneau de terre surélevé, d'environ 100 m de diamètre, lui-même entouré d'un fossé. À l'intérieur de ce cercle sont creusées 56 cavités, dénommées les trous d'Aubrey, en hommage à l'antiquaire du XVIIe siècle qui les aurait trouvés.
La deuxième phase se caractérise par la mise en place de 76 « pierres bleues », disposées en deux cercles concentriques au centre du site. L'acheminement de ces pierres depuis le Pays de Galles, distant de plus de 250 km, est déjà pour l'époque un tour de force.
Le transport de ces blocs est peu de chose, comparé au véritable « miracle » d'ingénierie qui aura lieu lors de la phase trois, entre 2000 et 1100 avant J.-C.
Ce seront alors probablement plus de 60 blocs de pierre, pesant de 7 t à 50 t chacun, qui seront transportés sur plus de 40 km. Pour bien se rendre compte du labeur titanesque représenté par cette tâche, il faut se souvenir qu'à l'époque la roue n'existait pas encore. Les techniques utilisées se résument vraisemblablement à l'utilisation de cordages, de rondins de bois, voire peut-être de luges.
Cette hypothèse suppose aussi l'utilisation d'un ingénieux système de levier et d'échafaudages pour la mise en place des pierres, et notamment l'assemblage des « trilithes », gigantesques portiques formés de trois blocs.
Ces blocs seront disposés en cercle pour former un anneau d'environ 33 m de diamètre.
Il subsiste aujourd'hui plus de 150 pierres dûment répertoriées et classées par les archéologues. Le gigantesque anneau mégalithique a été reconstitué avec les blocs restants du site, pour former un cercle presque parfait auquel il manque seulement la partie ouest. Les pierres sont pour la plupart surmontées, deux à deux, par une troisième qui constitue alors un linteau.
Ces gros blocs faits de grès portent encore les traces du travail de finition effectué à la main, au moyen d'instruments rudimentaires.
Au centre du cercle sont disposés les « trilithes », ainsi que ce qui reste des « pierres bleues » de la phase deux.
Le processus d'acheminement des blocs de pierre géants sur le site est entouré de nombreuses légendes. Les hypothèses les plus folles n'écartent aucunement l'intervention de créatures supérieures, d'origine extraterrestre.
La légende du roi Arthur implique notamment l'intervention de géants, puis du magicien Merlin dans la construction et le transport du monument.
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