Πάνω σε χαμηλό λόφο, το Διμήνι κατοικήθηκε πρώτη φορά στη Νεότερη Νεολιθική, στο τέλος της 5ης χιλιετίας. Μοναδικό αρχιτεκτονικό στοιχείο του οικισμού είναι οι περίβολοι. Πρόκειται για έξι λιθόκτιστες, ανισοϋψείς μάντρες που κατασκευάστηκαν σταδιακά γύρω από το λόφο κατά ζεύγη. Οι δύο πρώτοι περίβολοι ορίζουν μια ευρύχωρη κεντρική πλατεία. Τέσσερις στενόμακροι διάδρομοι, που διαπερνούν όλους τους περιβόλους ακτινωτά, χωρίζουν τον οικισμό σε τέσσερα μεγάλα τμήματα. Σε κάθε τμήμα χτίζονται ανάμεσα στα ζεύγη των περιβόλων δυο τρία μεγάλα σπίτια με παράπλευρα παράσπιτα. Ανάμεσα από τα σπίτια δημιουργείται κοινόχρηστη αυλή. Αντίθετα από τον Χρ. Τσούντα, που πίστευε ότι το κεντρικό μέγαρο Α ήταν η κατοικία του «άρχοντα» και ότι οι περίβολοι σχημάτιζαν ένα οχυρωματικό σύστημα για την προστασία του, ο Γ. Χουρμουζιάδης είδε τους περιβόλους ως απλά ρυθμιστικά στοιχεία στο πλαίσιο μιας πρώιμης πολεοδομικής αντίληψης, που προσδιόριζαν τις θέσεις όπου μπορούσαν να αναπτυχθούν σπίτια.
Στην κεραμική, η φάση «Διμήνι» περιλαμβάνει «γραπτά» αγγεία, συνήθως φιάλες, και εγχάρακτα. Από την καθημερινή ζωή των κατοίκων βρέθηκαν πολλές λεπίδες από πυριτόλιθο και οψιανό, πέτρινα και οστέινα εργαλεία, πήλινα σφονδύλια και πηνία, κοσμήματα από κόκαλο, πέτρα ή κοχύλια και πολλά ανθρωπόμορφα ειδώλια.
Στην αρχή της 3ης χιλιετίας, το Διμήνι ερημώνεται σχεδόν ολοκληρωτικά. Από μεσοελλαδικό οικισμό βρέθηκαν σπίτια και κιβωτιόσχημοι τάφοι. Ιδιαίτερα σημαντικά όμως είναι τα αρχιτεκτονικά λείψανα της Υστεροελλαδικής περιόδου που αποκαλύφθηκαν στην πεδιάδα ανάμεσα στο λόφο και τη θάλασσα. Από τον μυκηναϊκό οικισμό αποκαλύφθηκαν φαρδύς δρόμος και πέντε μεγάλες ιδιωτικές κατοικίες που χρονολογούνται στην ΥΕ ΙΙΙ, στο τέλος του 12ου αιώνα π.Χ.