Στη μυθολογική παράδοση της Λήμνου (Σίντιες, Ήφαιστος, Κάβειροι) αντανακλώνται οι σπουδαίες μεταλλουργικές επιδόσεις των αρχαίων κατοίκων της. Πρώτοι κάτοικοι του νησιού ήταν, σύμφωνα με τις πηγές, οι Σίντιες, εξαιρετικοί μεταλλουργοί, που υποδέχτηκαν τον Ήφαιστο μετά την αποπομπή του από τον Όλυμπο. Πρώτος βασιλιάς της Λήμνου υπήρξε ο Θόας, γιος του Διονύσου και της Αριάδνης.

Η συγχώνευση των κατοίκων της Λήμνου με τους Μινύες της Θεσσαλίας, τους απογόνους των Αργοναυτών, και τους Πελασγούς που εκδιώχθηκαν από την Αττική χάρισε στο νησί ημέρες ακμής.

Η Λήμνος απέκτησε πλούτο και φήμη από τους Προϊστορικούς Χρόνους χάρη στην εξαίρετη γεωγραφική θέση της (απέναντι από την είσοδο του Ελλησπόντου, στη διαδρομή προς τις μεταλλοφόρες πλουτοπαραγωγικές πηγές), το εύφορο έδαφος, τα πλούσια αλιεύματα και τα ασφαλή αγκυροβόλιά της, καθώς και τις γνώσεις των κατοίκων της σε σχέση με την κατεργασία των μετάλλων.

Ο Όμηρος μνημονεύει τη Λήμνο στην Οδύσσεια ως «ἐυκτίμενον πτολίεθρον», δηλαδή καλοχτισμένη, όμορφη πολιτεία: «Αὐτὰρ ἐπεὶ δὴ πάντα δόλον περὶ δέμνια χεῦεν, εἴσατ᾽ ἴμεν ἐς Λῆμνον, ἐυκτίμενον πτολίεθρον, ἥ οἱ γαιάων πολὺ φιλτάτη ἐστὶν ἁπασέων». («Και σαν τα καλοτύλιξε τριγύρω στο κλινάρι, στης Λήμνος έκανε πως πάει την όμορφη τη χώρα, που αυτήν απ’ όλες πιότερο τις χώρες αγαπούσε» μεταφράζει ο Αργύρης Εφταλιώτης.)

Το νησί γνώρισε περίοδο ακμής κατά την Πρώιμη και τη Μέση Εποχή του Χαλκού, όταν αναπτύχθηκαν σημαντικά οικιστικά κέντρα, όπως η Πολιόχνη, η Μύρινα και το Κουκονήσι. Μυκηναϊκά ευρήματα έχουν εντοπιστεί στο Κουκονήσι, την Πολιόχνη και την Ηφαιστία.

Κατά τους Ιστορικούς Χρόνους το νησί υπήρξε επί μακρόν αθηναϊκό έδαφος (περί τα μέσα του 5ου αιώνα π.Χ. εγκαταστάθηκαν στη Λήμνο αθηναίοι κληρούχοι, που συμβίωσαν ειρηνικά με τους γηγενείς). Σημαντικότερες πόλεις κατά την περίοδο αυτήν υπήρξαν η Μύρινα και η Ηφαιστία.

Το νησί κατελήφθη κατά καιρούς από τους Πέρσες, τους Σπαρτιάτες, τους Διαδόχους του Μεγάλου Αλεξάνδρου και τους Ρωμαίους, λεηλατήθηκε δε από τον Φίλιππο Β’, τους Γότθους και τους Ερούλους.

Κατά τη Bυζαντινή Περίοδο αναγνωρίστηκε η στρατηγική θέση του νησιού, γεγονός που συνέβαλε στην οικονομική ανάπτυξή του, κυρίως τον 11ο και το 12ο αιώνα. Το 1207 η Λήμνος περιήλθε στους Ενετούς, ανακατελήφθη δε από τους Bυζαντινούς το 1276. Κατά το α’ μισό του 15ου αιώνα το νησί διοικούνταν από τους Παλαιολόγους και τη γενοβέζικη οικογένεια των Γατελούζων. Το 1453, κατά τη διάρκεια της πολιορκίας της Κωνσταντινούπολης, η Λήμνος παραχωρήθηκε από τον Κωνσταντίνο ΙΑ’ Παλαιολόγο στο γενοβέζο Ιωάννη Iουστινιάνη.

Tο νησί κατελήφθη από τους Tούρκους μετά τη λήξη του Α’ Ενετοτουρκικού Πολέμου, το 1479. Κατά τη διάρκεια της Ελληνικής Επανάστασης λημνιακά πλοία συμμετείχαν στον ψαριανό στόλο.

Η Λήμνος υπήρξε το πρώτο νησί που απελευθέρωσε από τον τουρκικό ζυγό κατά τη διάρκεια του Α’ Βαλκανικού Πολέμου ο υποναύαρχος Παύλος Κουντουριώτης, στις 8 Οκτωβρίου 1912.