Κλασική περίοδος
Η εγκατάσταση των Αθηναίων στο νησί
Το έτος 511 π.Χ., όπως μας πληροφορεί και ο αρχαίος ιστορικός Ηρόδοτος (5.26.1, 5.27.1), ο στρατός του Πέρση βασιλιά Δαρείου με στρατηγό τον Οτάνη κατέλαβε την Λήμνο, την οποία κατοικούσαν ακόμα οι Πελασγοί, για να την χρησιμοποιεί ως κομβικό σημείο για τις επιχειρήσεις των Περσών στη Δύση. Η αναφορά του Ηροδότου ότι οι Λήμνιοι έπεσαν στα χέρια των εχθρών, παρότι αγωνίστηκαν λαμπρά και πρόβαλαν αντίσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα, παραπέμπει στο συμπέρασμα ότι αναμφίβολα πριν την κατάληψη, οι δυο πόλεις του νησιού, η Ηφαιστία και η Μύρινα πολιορκήθηκαν ασφυκτικά. Λίγο αργότερα, το 499 π.Χ, οι Αθηναίοι κατάφεραν μετά από αρκετές προσπάθειες να καταλάβουν το νησί, όμως μετά από σύντομο χρονικό διάστημα κυριαρχίας τους οι Πέρσες το επανακατέβαλαν το 494 π.Χ. Τελικά, το 479 π.Χ. ο Αθηναίος Μιλτιάδης, σύμφωνα με τον αρχαίο ιστορικό Ηρόδοτο (6.140.1), ορμώμενος από τον Ελλήσποντο κατέλαβε την Λήμνο. Την Ηφαιστία την κατάλαβε αμαχητί ενώ την Μύρινα, η οποία δεν ήθελε να προσχωρήσει στους Αθηναίους, την πολιόρκησε μέχρι να παραδοθεί. Η περσική φρουρά εκδιώχθηκε από το νησί και εγκαταστάθηκαν Αθηναίοι κληρούχοι ενώ οι Πελασγοί κάτοικοι αναγκάστηκαν να μεταναστεύσουν. Αν και αρχαιολογικά ευρήματα στην Μύρινα μαρτυρούν την παρουσία των Αθηναίων από το τέλος της Αρχαϊκής Εποχής, η οριστική εγκατάσταση των Αθηναίων στη Μύρινα και στο νησί γενικά πραγματοποιήθηκε μετά το 439 π.Χ. και η Λήμνος έγινε τμήμα της Αθηναϊκής Δημοκρατίας.
Την Κλασική Εποχή η Μύρινα μαζί με την Ηφαιστία ήταν οι κύριες πόλεις του νησιού. Όπως φανερώνουν πολλά όστρακα κεραμικής, η κλασική Μύρινα επικεντρωνόταν βόρεια του λιμανιού στην νότια και ανατολική πλαγιά και στους πρόποδες του βραχώδους συμπλέγματος της χερσονήσου του κάστρου. Σύμφωνα με τον Γερμανό αρχαιολόγο Καρλ Φρέντριχ (Carl Fredrich) που επισκέφτηκε το χώρο το 1904, επρόκειτο για μια πυκνοκατοικημένη πόλη με την ακρόπολη να δεσπόζει στο υψηλότερο σημείο της χερσονήσου. Βασιζόμενος σε επιγραφές της αρχαιότητας ο Φρέντριχ (Fredrich) ισχυρίζεται ότι η πόλη διέθεται και θέατρο, η τοποθεσία του όμως παραμένει άγνωστη.
Ωστόσο, υπάρχουν ενδείξεις ότι στο πλάτωμα της ακρόπολης υπήρχε ιερό. Το πλάτωμα της ακρόπολης, το οποίο έχει δημιουργηθεί κατόπιν λάξευσης και λείανσης των βράχων στον άξονα Α-Δ, φαίνεται ότι δημιουργήθηκε για αυτόν τον λόγο. Είναι γεγονός ότι στο χώρο γύρω από την ακρόπολη είχαν εντοπιστεί πολυάριθμα μαρμάρινα θραύσματα, αρκετά εκ των οποίων, έχοντας χαρακτηριστεί ως αρχιτεκτονικά μέλη, παραπέμπουν στην ύπαρξη μαρμάρινου ναού.
Στην ύπαρξη ιερού και μάλιστα γυναικείας θεότητας παραπέμπουν και τα αναθηματικά πήλινα ειδώλια από το ύψωμα του κάστρου, που χρονολογούνται από την αρχαϊκή έως και την ελληνιστική εποχή και απεικονίζουν ως επί το πλείστον γυναικείες θεότητες.
Σύμφωνα με τον Φρέντριχ (Fredrich), το ιερό ήταν αφιερωμένο από τους κληρούχους Αθηναίους στην Αθηνά Λημνία, στην οποία εξέφραζαν τις ευχαριστίες τους με διάφορα αφιερώματα. Άλλοι μελετητές, κρίνοντας από τα αφιερώματα, τείνουν να υποστηρίζουν την ύπαρξη λατρείας της Δήμητρας και της Περσεφόνης. Υπέρ της δεύτερης υπόθεσης συνηγορεί μια μικρή μαρμάρινη πλάκα, που κάποτε ήταν ενσωματωμένη ως επισκευαστικό υλικό στο τείχος της εισόδου του κάστρου (χάθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα) και έφερε ανάγλυφη παράσταση δυο μορφών, μιας καθιστής και μιας όρθιας, που προσδιορίζονται ως Άδης και Κόρη αντίστοιχα.
Οι Αθηναίοι πραγματοποίησαν προσθήκες και επισκευές στα προϋπάρχοντα πελασγικά πολυγωνικά τείχη χρησιμοποιώντας τον ισόδομο τρόπο δόμησης. Επέκτειναν τα τείχη ανατολικά, με την τείχιση να αγκαλιάζει από Β προς Ν όλο το λαιμό της χερσονήσου μαζί με το βραχώδες έξαρμα αλλά χωρίς να συμπεριλαμβάνει τον γιαλό. Αρκετά τμήματα αυτού του ισχυρού τείχους σώζονται σε ύψος 3-4μ. στα υπόγεια και κατώτερα σημεία της τοιχοποιίας των σύγχρονων κατοικιών στις ανατολικές πλαγιές του κάστρου. Είναι κτισμένο με δόμους που φτάνουν σε ύψος 0,50μ και οι οποίοι εναλλάσσονται με σειρές δόμων ύψους 0,30μ. περίπου. Ορατό τμήμα της οχύρωσης ύψους 2,90μ. βρίσκεται σε μια στενή αυλή και τμήμα του συνεχίζει αρκετά βαθιά μέσα στο έδαφος, με αρκετούς ογκόλιθους να ξεπερνούν το 1μ. Άλλα λείψανα του τείχους βρίσκονται ενσωματωμένα στη δόμηση στα υπόγεια σύγχρονων κατοικιών. Η σπουδαιότητα των οχυρώσεων στην εποχή αυτή μαρτυρείται και από μια αθηναϊκή επιγραφή (χρονολογείται μεταξύ της κλασικής και ελληνιστικής εποχής), η οποία μιλά για μια πρεσβεία που στάλθηκε στην πόλη για την οικοδόμηση των τειχών.
Άλλα υπολείμματα του τείχους της κλασικής περιόδου είναι ορατά:
1. στην βόρεια πλευρά του πρανούς της ακρόπολης στο κατώτερο τμήμα του μεταγενέστερου σωζόμενου τείχους,
2. στην δυτική πλευρά του νότιου τείχους της ακρόπολης –σήμερα εντελώς κατεστραμμένο- φαίνεται να σώζονται κάποιοι λίθοι του κατωτέρου τμήματος του τείχους.
Ο Γερμανός αρχαιολόγος Καρλ Φρέντριχ (Carl Fredrich) σημειώνει στα οδοιπορικά του ότι το κάτω τείχος, το νότιο πάνω από το λιμάνι, είχε ήδη πέσει από τα μέσα του 5ου αιώνος π.Χ.