Σύμφωνα με το μύθο τα νησιά της Λήμνου και της Ίμβρου ήταν κάποτε ενωμένα σε ένα νησί, που ανήκε σε ένα ηγεμόνα. Μετά το θάνατό του το νησί πέρασε στα χέρια των 2 παιδιών του. Ο ένας γιος θέλησε να κοροϊδέψει τον άλλον και να πάρει μεγαλύτερο μερίδιο από το νησί. Οι θεοί όμως οργίστηκαν και χώρισαν το νησί στα δύο και έτσι δημιουργήθηκαν η Λήμνος και η Ίμβρος.
Ο μύθος αυτός πρέπει να έχει και μια ιστορική βάση, καθώς στον κόλπο του Αγίου Ερμολάου υπάρχουν στο βυθό της θάλασσας, ερείπια κτιρίων, κρουνοί κ.α.
Σύμφωνα με τη μυθολογία, η Λήμνος είναι το νησί του Ηφαίστου, Θεού της φωτιάς και των ηφαιστείων. Ένας μύθος λέει ότι έπεσε στο νησί όταν η Ηρα, η μητέρα του, τον πέταξε από τον Όλυμπο, επειδή ήταν ένα άσχημο μωρό. Ο Ηφαιστος έσπασε το πόδι του ή το μηρό του όταν έπεσε και έμεινε κουτσός για όλη του τη ζωή. Οι κάτοικοι του νησιού τον φρόντισαν και τον βοήθησαν και ο Ηφαιστος τους έμαθε την τέχνη μεταλλουργίας.
Αρχαιολογικές ανασκαφές έχουν φέρει στο φως πρώιμους οικισμούς (από την Μπρούτζινη εποχή) για τους οποίους μερικές θεωρίες λένε ότι ανήκαν στους Ετρούσκους.
Η Λήμνος αποτελούσε ενδιάμεσο σταθμό για τους μετανάστες που έρχονταν από τη Μικρά Ασία στην Ελλάδα. Οι πρώτοι κάτοικοι του νησιού υπολογίζεται ότι ήρθαν κατά την 5η χιλιετηρίδα π.χ. Οι αρχαιολογικές ανασκαφές έχουν φέρει στην επιφάνεια πολλά μνημεία που μαρτυρούν την ύπαρξη ενός εξαίσιου πολιτισμού.
Γνωστός βασιλιάς της Λήμνου ήταν ο Θόαντας, κατά τη διάρκεια της βασιλείας του οποίου φοβερές ηφαιστειακές εκρήξεις συγκλόνισαν το νησί. Μετά από μικρό χρονικό διάστημα ο Ιάσονας και οι Αργοναύτες κατέφθασαν στη Λήμνο.
Εκεί ήλθαν σε επιμειξία με τις Λημνίες, όπου προήλθε ο λαός των Μινύων. Από το 1000 π.Χ. κατέφθασαν οι Πελασγοί στο νησί και εγκατέστησαν του πρώτους κληρούχους. Οι κληρούχοι ήταν Αθηναίοι πολίτες στους οποίους έδιναν ορισμένο τμήμα γης και οι οποίοι εγκατεστημένοι ανάμεσα στους ιθαγενείς είχαν προορισμό να τους κρατάνε σε υποταγή. Έτσι η Λήμνος έγινε αναπόσπαστο τμήμα της Αθηναϊκής Δημοκρατίας.
Στα Βυζαντινά χρόνια η Λήμνος δοκιμάστηκε από πειρατικές επιδρομές. Μετά το τέλος της Βυζαντινής αυτοκρατορίας το νησί πέρασε στα χέρια των Ενετών εως το 1278μ.Χ. Αργότερα την κυβέρνησαν οι Γατελούζοι και ξανά οι Ενετοί.
Η γεωγραφική θέση του νησιού και η ασφάλεια των κόλπων του ανέδειξε τη σπουδαιότητά του ως καίριο στρατιωτικό σημείο. Μετά την πτώση του Βυζαντίου, η Λήμνος ήταν προσευχή για πολλούς πειρατές. Το νησί πέρασε στα χέρια των Γενουατών το 1453, γεγονός που έφερε μεγάλη οικονομική και εμπορική ανάπτυξη.
Από το 1462 έως το 1479, η Λήμνος ήταν το αντικείμενο διαμαρτυριών μεταξύ Βενετών και Τούρκων. Η Βενετία αναγκάστηκε να την παραδώσει στους Τούρκους όταν εκείνοι επικράτησαν στο Αιγαίο.
Μετά την Ελληνική επανάσταση του 1821, η Λήμνος, όπως και τα άλλα νησιά του Βορειοανατολικού Αιγαίου, δεν ενσωματώθηκε στο νεο-δημιουργημένο Ελληνικό κράτος. Εξαιτίας των Βαλκανικών πολέμων, το νησί ενσωματώθηκε στην υπόλοιπη Ελλάδα το 1920.
Το 1821 η Λήμνος πολέμησε για την ανεξαρτησία της, αλλά δεν κατάφερε να απελευθερωθεί. Η απελευθέρωση ήρθε το 1912, με η βοήθεια του ναυάρχου Κουντουριώτη, ο οποίος έφτασε στο λιμάνι του Μούδρου και εξουδετέρωσε την τουρκική φρουρά.
Στις 3 Ιανουαρίου του 1913 η Λήμνος χρησιμοποιήθηκε ως βάση του ελληνικού ναυτικού, κατά τη διάρκεια των Βαλκανικών πολέμων. Σημαντικό ρόλο έπαιξε κατά τον Α’ Παγκόσμιο Πόλεμο το νησί όπου ήταν ορμητήριο ναυτικών επιχειρήσεων.
Αργότερα στη δεκαετία του 50 άρχισε η μετανάστευση των ντόπιων προς άλλες χώρες, ΗΠΑ, Νότια Αφρική κ.α.