Lemnos ha origini antichissime; è infatti considerato il primo insediamento urbano europeo (3.500 a.C.).
Numerosi siti archeologici mostrano reperti risalenti ad un epoca antecedente all'insediamento di Troia- nell'attuale Turchia vicino allo stretto dei Dardanelli.
In particolare i reperti scoperti nella cittadina di Poliochni risalgono all'età del Bronzo e vengono definiti 'Tesoro di Poliochni', molto simile al 'Tesoro di Priamo', scoperto a Troia.
Ma non solo: a Kaminia è stata ritrovata una stele con simboli che ricordano molto l'alfabeto etrusco. Ciò dimostrerebbe la presenza del popolo dei Tirreni - proveniente dalla Lidia - anche a Lemnos, prima che approdassero in Italia e prendessero il nome di Etruschi.
Nel VI secolo a.C. l'isola fu conquistata dai Persiani e poi passò alla Lega di Delo (o Ateniese) nel V secolo.
Fu dominata dai Macedoni nel IV secolo a.C., poi liberata dai Romani e restituita nel 166 a.C ad Atene, che fu nel 146 a.C inglobata nell'Impero Romano; successivamente con la caduta di quest'ultimo, divenne parte dell'Impero Bizantino.
Contesa nel corso dei secoli da Veneziani, Greci e Turchi, nel 1912 fu liberata, ma dopo la Prima Guerra Balcana l'isola è stata definitivamente annessa alla Grecia nel 1920.
Durante la Seconda Guerra Mondiale è stata occupata dalle truppe tedesche dal 25 Aprile 1941 al 16th Ottobre 1944.