Α' Βενετοκρατία
Η παρουσία Βενετών στο νησί
Μετά την κατανομή των εδαφών της βυζαντινής αυτοκρατορίας από τους Σταυροφόρους της Δ΄Σταυροφορίας και την παραχώρηση των νησιών του Αιγαίου στους Βενετούς, η Βενετία ανέθεσε την ηγεμονία της Λήμνου στον Βενετό ευπατρίδη Φιλόκαλο Ναβιγκαγιόζο (Filocalo Navigajoso). Ο Φιλόκαλος, εγκαταστάθηκε στη Λήμνο το 1207 με τον τίτλο του Μεγάλου Δούκα και επέλεξε ως έδρα του την Μύρινα. Η επιλογή αυτή συνέβαλλε στην αύξηση της σπουδαιότητας της πόλης με επακόλουθο την ανάπτυξη του εμπορίου και δημιουργία αγοράς και στις δυο παραλίες εκατέρωθεν της χερσονήσου. Το εμπόριο όμως ήταν στα χέρια των Βενετών ενώ οι κάτοικοι του νησιού ζούσαν κάτω από βαρείς φόρους, χωρίς προνόμια και ελευθερίες και εκτεθειμένοι στις κάθε λογής λεηλασίες και αιχμαλωσίες από τους Τούρκους και τους πειρατές που κατά καιρούς εισέβαλαν στο νησί ανενόχλητοι.
Η παρουσία Βενετών στην Λήμνο δεν ήταν πρωτόγνωρη. Η παρουσία Βενετών εμπόρων στο νησί μαρτυρείται από τον 12ο αιώνα. Σε επίσημο έγγραφο του 1136, δηλώνεται ότι ο τότε αρχιεπίσκοπος Λήμνου έδωσε άδεια στους Βενετούς, που ήταν εγκαταστημένοι στον Κότσινα, να κτίσουν ναό δίπλα στο κάστρο του Κότσινα αφιερωμένο στον άγιο Γεώργιο.
Οι Βενετοί, αν και η ίδια η Βενετία δεν προστατευόταν από τείχη, φρόντιζαν να κατασκευάζουν ισχυρές οχυρώσεις για να διασφαλίζουν από τις εχθρικές επιθέσεις τις πολλές, απομακρυσμένες από την Βενετία, κτήσεις τους. Αυτό συνέβαλε στο να αναπτύξουν σε μεγάλο και αξιόλογο βαθμό την οχυρωματική αρχιτεκτονική. Ωστόσο, προτιμούσαν να κατακτούν οχυρά και να τα προσαρμόζουν στις ανάγκες τους αντί να τα κατασκευάζουν εκ νέου. Επειδή συχνά οι οχυρώσεις αναπτύσσονταν πάνω σε αρχαίες ακροπόλεις, αρκετό οικοδομικό υλικό προέρχονταν από τα αρχαία κατάλοιπα και τις μεταγενέστερες βυζαντινές κατασκευές και γενικά από το υλικό που διέθετε ο κάθε τόπος. Τα προγενέστερα βυζαντινά κάστρα στην πλειοψηφία τους δέχτηκαν εκτεταμένες επισκευές και νέες προσθήκες.
Η διαμόρφωση της σημερινής μορφής του κάστρου της Μύρινας πραγματοποιήθηκε κατά την διάρκεια της κυριαρχίας των Βενετών. Οι Βενετοί για τον σχεδιασμό των οχυρώσεών τους δεν θεώρησαν σημαντικό το νότιο πλάτωμα της χερσονήσου, το οποίο ήταν τειχισμένο από την αρχαιότητα και περιελάμβανε την κλασική πόλη. Μετατόπισαν την οχύρωση προς βορρά συμπεριλαμβάνοντας στον σχεδιασμό τους το κεντρικό πλάτωμα της χερσονήσου βόρεια της ακρόπολης, προφανώς επειδή βόλευε για την κατασκευή και άλλων διαφόρων βοηθητικών κτισμάτων. Στην κατασκευή τους διατήρησαν κάποια τμήματα της προγενέστερης βυζαντινής οχύρωσης του αυτοκράτορα Ανδρόνικου Α’ Κομνηνού καθώς και την χάραξη των τειχών της κλασικής ακρόπολης πραγματοποιώντας, αναμφισβήτητα, τις κατάλληλες προσαρμογές και επισκευές.
Φιλόκαλος & Λεονάρδος Ναβιγκαγιόζος
Οπρώτος Δούκας του κάστρου, ο Φιλόκαλος Ναβιγκαγιόζος (Filocalo Navigajoso) κατά την διάρκεια της διοίκησής του από το 1207 έως το 1214, στην φροντίδα του να κατασκευάσει οχυρωματικά έργα σε όλο το νησί, ανακατασκεύασε το φρούριο στην ακρόπολη και οχύρωσε την χερσόνησο περιμετρικά με ψηλά τείχη και πύργους. Μετά τον θάνατό του, ένας από τους γιους του, ο Λεονάρδος (Leonardo Navigajoso), κληρονόμησε το μισό νησί και το κάστρο.Ο Λεονάρδος διοίκησε από το 1214 έως το 1260 και ολοκλήρωσε το έργο του πατέρα του ενισχύοντας και ισχυροποιώντας το κάστρο. Από αυτήν την εποχή το κάστρο αρχίζει να αναφέρεται ως Παλαιόκαστρο για να ξεχωρίζει από το νεότερο κάστρο του Κότσινα.
Παύλο Ναβιγκαγιόζος
Μετά τον θάνατο του Λεονάρδου το 1260, η εξουσία περιήλθε στον γιο του Παύλο (Paolo Navigajoso). Κατά την διάρκεια της διοίκησής του κατασκευάστηκαν πολλά οχυρωματικά έργα σε σημαντικά σημεία του νησιού και πολύ πιθανόν ενισχύθηκαν και οι οχυρώσεις του κάστρου της Μύρινας. Όταν ο αυτοκράτορας του Βυζαντίου Μιχαήλ Η’ Παλαιολόγος, μετά την ανακατάληψη της Κωνσταντινούπολης από τους Σταυροφόρους το 1261 και την επανίδρυση της Βυζαντινής αυτοκρατορίας, αποφάσισε να ανακαταλάβει όλα τα νησιά που κατείχαν οι Βενετοί, έστειλε το 1276 τον ναύαρχο Λυκάριο να καταλάβει νησί. Ο Λυκάριος κατέλαβε μεγάλο τμήμα του νησιού και πολιόρκησε το κάστρο της Μύρινας, όπου ο Παύλος είχε κλειστεί αποφασισμένος να μην το παραδώσει. Ο Μέγας Δούκας αμύνθηκε και υπερασπίστηκε το κάστρο σθεναρά και αρνήθηκε κάθε διαπραγμάτευση και εξαγορά του φρουρίου, αλλά κατά τη διάρκεια της πολιορκίας το 1277 απεβίωσε και την άμυνα του κάστρου την συνέχισε με το ίδιο σθένος η σύζυγός του. Το 1279 όμως, λόγω της σημαντικής μείωσης των πόρων και ελλείψει εξωτερικής βοήθειας, αναγκάστηκε να το παραδώσει στους Βυζαντινούς με ευνοϊκούς, παρόλα αυτά, γι αυτήν όρους και να αποχωρήσει από το κάστρο σηματοδοτώντας με την παράδοση το τέλος του Δουκάτου των Ναβικαγιόζων και της πιο μακρόχρονης κυριαρχίας Λατίνων στην Λήμνο. Το κάστρο περιήλθε ξανά στην Βυζαντινή αυτοκρατορία κάτω από την κυριαρχία της οποίας παρέμεινε μέχρι την πτώση της, το έτος 1453.
Στην περίοδο αυτή της 1ης Βενετικής Κυριαρχίας στο κάστρο, η τείχιση αποτελούταν από δυο σειρές τειχών και περιλάμβανε μαζί με την ακρόπολη το κεντρικό ανώτερο πλάτωμα της χερσονήσου (το βόρειο εξωτερικό τείχος είναι μεταγενέστερη κατασκευή). Ο χώρος της κεντρικής πύλης αποτελούταν από δυο κάθετους μεταξύ τους διαδρόμους και δυο πυλίδες, δηλ. η σημερινή ενδιάμεση πυλίδα ήταν η κεντρική πύλη της εποχής αυτής και όλος ο χώρος που σήμερα καταλαμβάνεται από την κεντρική εξωτερική πύλη με τους πύργους ήταν ακάλυπτος. Ανατολικά του κάστρου, οι Βενετοί είχαν διανοίξει για λόγους αμυντικούς μια τάφρο, η οποία επιχωματώθηκε κατά τα πρώτα χρόνια της οθωμανικής περιόδου.