«Δίπολις» ήταν η Λήμνος ήδη από τα προϊστορικά χρόνια. Στη χαλκολιθική περίοδο («periodo nero») ανήκουν τα οικιστικά λείψανα από την Πολιόχνη και τη Μύρινα. Στο τέλος της «periodo verde», όταν η Πολιόχνη άγγιζε τη μεγαλύτερη ακμή της, η Μύρινα παρήκμασε. Από τη μυκηναϊκή περίοδο τα ευρήματα είναι ελάχιστα. Έντονη δραστηριότητα στο νησί από τον 8ο έως τον 5ο αιώνα π.Χ. μαρτυρούν τα ευρήματα από τον αποθέτη στο Καβείριο, το πλούσιο υλικό από το Ιερό της Μεγάλης Θεάς, τα κτερίσματα από τη νεκρόπολη της Ηφαιστίας, τα ευρήματα από το Ιερό της Άρτεμης και τα μοναδικά ειδώλια από αποθέτη στη Μύρινα. Από το εκτός πόλεως ιερό τέμενος της Άρτεμης, όπου βρέθηκε θυσιασμένος ταύρος, προέρχονται ειδώλια μουσικών γυναικείων μορφών. Αθηναίοι εντοπίζονται στη Μύρινα από το τέλος των αρχαϊκών χρόνων. Ταραχές ακολούθησαν την επιβολή του τυράννου Λυκάρετου από τους Πέρσες το 512 π.Χ. Εξ αιτίας τους έγιναν οχυρωματικά και λιμενικά έργα στην ακτογραμμή του νησιού. Αθηναίοι κληρούχοι εγκαταστάθηκαν οριστικά στην Ηφαιστία και τη Μύρινα μετά το 439 π.Χ. Επιγραφές των κλασικών χρόνων μαρτυρούν την ύπαρξη στην πόλη δήμου Χαλκιδέων. Η ακμή της Μύρινας συνεχίζεται στις μέρες των επιγόνων. Έξω από την πόλη, τα κτερίσματα από συστάδα τάφων (β΄ μισό του 2ου αιώνα π.Χ. – αρχές του 2ου αιώνα μ.Χ.) περιλαμβάνουν χρυσές δανάκες, χρυσά κοσμήματα, νομίσματα, αγγεία. Το μεγαρόσχημο κτήριο σχετίζεται με την Αφροδίτη – θεά του Κάτω Κόσμου. Η Λήμνος παρέμεινε αθηναϊκή έως τον 2ο αιώνα μ.Χ. Στη Μύρινα αποκαλύφθηκε νεκροταφείο των ρωμαϊκών χρόνων με κιβωτιόσχημους τάφους, χτισμένους σε χαμηλό τοιχάριο ή εγχυτρισμούς σε αμφορείς.