Σύμφωνα με την ελληνική μυθολογία, η Λήμνος έχει συνδεθεί με το θεό Ήφαιστο. Μετά από μια διαμάχη στον Όλυμπο ο Δίας εκσφενδόνισε τον Ήφαιστο και αυτός προσγειώθηκε τραυματισμένος στη Λήμνο. Οι Σίντιες που, σύμφωνα με τον Όμηρο, κατοικούσαν τότε στο νησί περιέθαλψαν τον Ήφαιστο και αυτός σε αντάλλαγμα τους δίδαξε την κατεργασία των μετάλλων, ενώ εγκατέστησε το εργαστήριο του στο ηφαίστειο Μόσυχλος.

Ο μύθος συναντιέται με την πραγματικότητα στο γεγονός ότι οι Σίντιες ήταν όντως εξαιρετικοί μεταλλουργοί, ενώ οι αρχαίοι κάτοικοι του νησιού βάφτισαν μια από τις σημαντικές πόλεις τους Ηφαιστία.
Επίσης ο Όμηρος αναφέρει τη Λήμνο ως το νησί που εγκατέλειψαν οι Αχαιοί τον Φιλοκτήτη όταν τον δάγκωσε φίδι και μάλιστα σήμερα υπάρχει στο νησί και το αποκαλούμενο Σπήλαιο Φιλοκτήτη.

Στη Λήμνο βρισκόταν η Πολιόχνη, πιθανότατα η αρχαιότερη πόλη της Ευρώπης που ακμάζει κατά την προϊστορική εποχή, ενώ αργότερα θα αναδειχθούν η Ηφαιστία, η Μύρινα αλλά και το Καβείριο, ένας πολύ σημαντικός τόπος λατρείας. Το νησί τα επόμενα χρόνια θα κατακτηθεί διαδοχικά από Αθηναίους, Μακεδόνες και Ρωμαίους.

Κατά τα βυζαντινά χρόνια η Λήμνος αποτελεί τμήμα του Θέματος του Αιγαίου, ενώ αργότερα θα περάσει στα χέρια των Ενετών που θα την διατηρήσουν έως το 1479 όταν και θα καταληφθεί από την Οθωμανική Αυτοκρατορία.

Οι Τούρκοι θα διατηρήσουν τη Λήμνο μέχρι το 1912 όταν θα την απελευθερώσει ο ελληνικός στόλος και θα την ενώσει με την Ελλάδα. Ο κόλπος του Μούδρου θα χρησιμοποιηθεί ως ναύσταθμος από τον αγγλικό στόλο κατά την αποτυχημένη εκστρατεία στην Καλλίπολη, πολλά από τα θύματα της οποίας έχουν ταφεί στη Λήμνο.