En ung paleontolog som arbetade med University of Manchester fann fossilet 2008, i samlingarna av Doncaster Museum och Art Gallery.
Han insåg att det var 189 miljoner år gamla rester av en ichthyosaur - en utdöd marin reptil.
Ytterligare studie bekräftade att det är en tidigare okänd art.
Fynden har nu publicerats i Journal of Vertebrate Paleontology.
Dean Lomax, den 25-årige paleontologen som studerade provet, sa att det var så välbevarat att han kunde bestämma innehållet i magen.
"Vi kunde se små krokformade drag som faktiskt var krokarna från bläckfiskens tentakler", sade han.
"Så vi vet vad dess sista måltid var."
Mr Lomax arbetade med Prof Judy Massare, från State University of New York, och jämförde provens fossiliserade ben med de av nästan 1 000 andra ichthyosaurier på museer i USA och Europa.
Lomax förklarade att subtila anatomiska drag i fenbenen skiljer arten från andra.
Det är inte ovanligt att hitta ichthyosaurifossil i England. De skarpt tandade marina reptilerna simmade i stort antal i haven runt Storbritannien när dinosaurierna strövade omkring.
Detta speciella exemplar hittades i klipporna vid Dorsets jurassiska kust i början av 1980-talet och fördes till museet, så det är inte klart hur det så småningom misstogs för en kopia.
Dr Silvia Danise från Plymouth University sa att dess "rediscovery" var ett "slående exempel på hur viktiga museisamlingar är för vetenskaplig forskning".
"Samlingar är skatter som visar deras värde varje gång vi kan titta på dem med ett annat perspektiv, och genom att ställa nya vetenskapliga frågor," berättade hon för BBC News.
Dr Blanca Huertas, från Naturhistoriska museet i London, påpekade att det fortfarande finns många arter att upptäcka i museets samlingar.
"Ibland upptäcker vi saker på fältet", sade hon, "men samlingarna är en otrolig källa till möjligheter, eftersom besök dem, människor kan studera prover och samlingar från hundratals platser över hela planeten och resa i tid."
Källa: Encyclopaedia of Paleontology.
Denna nya art har nu fått namnet Ichthyosaurus anningae - för att hedra Mary Anning, den brittiske fossiljägaren som upptäckte den första ichthyosauren på Dorsetkusten omkring 1811.
Förhoppningen är nu att nyheter om betydelsen av detta forntida exemplar skulle kunna hjälpa till att spåra upp den fossiljägare som fann det.
Dr Stephen Brusatte, en paleontolog från universitetet i Edinburgh, tillade att det fanns "mycket mer att ta reda på".
Han berättade för BBC News: "Paleontologi är en unik vetenskap eftersom du inte behöver en avancerad examen eller specialiserad utbildning för att hitta en fossil, bara tålamod och en skarp uppsättning ögon."
Ett fossil som lagrats i ett Doncastermuseum i 30 år och som tros vara en gipskopia har visat sig vara en ny art av forntida reptil.