Dans la mythologie grecque, Lemnos était la résidence d'Héphaïstos, le dieu forgeron. Selon Homère (Iliade, I, 589), c'est là qu'échoue le dieu, projeté hors de l'Olympe par Zeus pour avoir voulu s'interposer dans une dispute entre Héra et lui. Il continue ensuite à vivre à Lemnos, où la population locale, les Sintiens, lui bâtit un temple, et où se trouve sa forge.
Thoas, fils d'Ariane et de Dionysos, beau-père de Jason, est dit, dans l'Iliade, y être associé (Il.,XXIII,745). Il est roi de Lemnos.
Au cours de leur voyage vers la Colchide, les Argonautes trouvent l'île gouvernée par la reine Hypsipyle, et peuplée uniquement de femmes. La raison en était que celles-ci avaient été affligées d'une odeur insupportable, par la déesse Aphrodite, parce qu'elles négligaient son culte. Abandonnées par leurs maris, par dépit, elles avaient fini par tuer tous les mâles de l'île. Certains des héros s'unissent avec ces femmes pour donner naissance au peuple des Minyens, qui ensuite furent chassés par les Pélasges.
Achille y vendit des fils du roi Priam, après les avoir capturés (version de l'Iliade), de même qu'à Imbros et Samos (Il.,XXIII, 751-753). Et c'est de cette même île que vint le rachat de Lycaon, fils de Priam, grâce à Eunée, fils de Jason (cf. description du vase donné, Il.,XXIII,746-747).
Lors de la guerre de Troie, l'île était une étape entre la Grèce et la côte asiatique. C'est pour cette raison qu'Ulysse décida d'y abandonner Philoctète : ce dernier, mordu au pied par un serpent, poussait des gémissements et dégageait une puanteur qui indisposaient ses compagnons de voyage. Sur l'île, présentée comme déserte par Sophocle dans sa tragédie, il peut survivre en chassant grâce à l'arc magique d'Héraclès. Or ces armes sont indispensables à la victoire des Grecs sur les Troyens ; c'est pourquoi Ulysse revient avec Néoptolème pour s'en emparer par la ruse. On peut toujours voir, à Lemnos, la grotte de Philoctète.
Selon les auteurs anciens, confirmés par le voyageur français Pierre Belon au XVIe siècle le soir du solstice d'été l'ombre du Mont Athos, pourtant distant de 70km, s'étend jusqu'à la place de Myrina, sur laquelle se trouvait dans l'Antiquité la statue d'un boeuf de bronze. Plutarque cite même un vers ( ̉Άθως καλύψει πλευρά Λημνίας βοός : le mont Athos couvrira le flanc du boeuf de Lemnos) qui était devenu proverbial, s'appliquant à ceux qui cherchaient à obscurcir la gloire et la réputation des autres par leurs calomnies.
