Det "överraskande fyndet" i Avebury, som är 30m (98ft) brett, anses vara en av platsens tidigaste strukturer.
Torget av megaliter verkar ha uppförts runt resterna av ett neolitiskt hus, som satt i centrum av den kolossala stencirkeln - den största i Europa.
Arkeologer har hyllat upptäckten "ohörd".
För fler arkeologiska utgrävningar och historiska fynd från England följ vår Pinterest styrelse
Dr Mark Gillings, från universitetet i Leicester, sade i sina "vilda drömmar" att de inte hade väntat sig att finna vad han har beskrivit som en "sten fyrkantscirkel".
Upptäckten kommer 80 år efter arkeologen och marmeladmagnaten, Alexander Keiller, upptäckte en rad stående stenar nära den 6m (19ft) upprätt sten som kallas obelisken.
Den vidsträckta 330m (1.082ft) breda stencirkeln av Avebury byggdes mellan ca 2850 BC och 2200 BC.
Den innehåller tre stencirkels och skryter med 100 enorma stående stenar ursprungligen, den har varit föremål för betydande arkeologiskt intresse sedan 1600 - talet.
Upptäckten av tidigare okända megaliter inne i monumentet har hälsats som en "stor överraskning".
"Vi har upptäckt och kartlagt en serie förhistoriska stående stenar som senare var dolda och begravda," Dr Gillings sade.
"Tillsammans avslöjar dessa ett slående och till synes unikt fyrkantigt megalitiskt monument inom Avebury-cirklarna som har potential att vara en av de allra tidigaste strukturerna på denna anmärkningsvärda plats."
Dr Joshua Pollard, från University of Southampton, sade att deras geofysiska undersökning hade "slutligen slutfört" Keillers arbete.
"Det har visat raden av stenar han identifierat var en sida av en kvadrat av megaliter ungefär 30m över och omsluter obelisk," sade han.
"Megalitiska cirklar är välkända från den tid då Avebury byggdes, men fyrkantiga megalitiska miljöer av denna skala och komplexitet är okända."
Arkeologerna tror att stentorget skulle kunna fira och monumentalisera "de första människornas hus i Avebury".
Om det visar sig vara korrekt, kan det vara till hjälp att förklara varför monumentkomplexet Avebury byggdes.
En gammal formation som upptäckts inom en neolitisk stencirkel i Wiltshire är faktiskt en kvadrat.