Ελληνιστική & Ρωμαική περίοδος
Ελληνιστική Περίοδος
Με την λήξη του πελοποννησιακού πολέμου το 401 π.Χ., το νησί πέρασε στην εξουσία της Σπάρτης και οι Αθηναίοι εγκατέλειψαν το νησί για να επιστρέψουν το 387 π.Χ., όταν επανακατέβαλαν την εξουσία. Στα επόμενα χρόνια το νησί δέχεται διάφορες επιδρομές και λεηλασίες, γίνεται αντικείμενο διαμάχης και η εξουσία επί του νησιού εναλλάσσεται μεταξύ των Αθηναίων, των Μακεδόνων, του βασιλιά της Θράκης Λυσίμαχου και των διαδόχων του Μεγάλου Αλεξάνδρου (336-166 π.Χ.).
Σύμφωνα με τον αρχαίο ιστορικό Διόδωρο (19.68.3), το έτος 314/313 π.Χ., η Μύρινα πολιορκήθηκε ανεπιτυχώς από 20 πλοία των δυνάμεων του Μακεδόνα βασιλιά Κάσσανδρου, με ναύαρχο τον Αριστοτέλη, στην προσπάθειά τους να την ανακαταλάβουν επειδή είχε συμμαχήσει με τον Αντίγονο Α’ τον Μονόφθαλμο. Η πολιορκία επιβεβαιώνεται και από τα βλήματα σφενδόνης που έχουν βρεθεί στις πλαγιές του κάστρου και φέρουν εγχάρακτο το όνομα ΔΙΟΝΥ, μια συντομογραφία που σχετίζεται με τον Διόνυσο της Μουνιχίας. Όπως αναφέρουν οι αρχαίοι συγγραφείς Πολύβιος και Λίβυος (XVIII, 44.4, 48.2 / XXVIII, 5,1 ) μέχρι να απελευθερωθεί η Μύρινα από την μακεδονική κυριαρχία το 196 π.Χ., όταν ο Φίλιππος νικήθηκε από τους Ρωμαίους, υπήρχε στην πόλη μακεδονική φρουρά. Οι Ρωμαίοι παραχώρησαν στην Λήμνο την ελευθερία της με την προϋπόθεση να διατηρούν στο νησί ρωμαϊκή φρουρά. Το 188 π.Χ. την επέστρεψαν στους Μακεδόνες και τελικά το 167/6 π.Χ. άφησαν την διοίκηση στους Αθηναίους ως τα τέλη του 2ου μ.Χ. αιώνα.
Ρωμαϊκή Περίοδος
Η Ρωμαϊκή περίοδος ήταν για την Λήμνο περίοδος ειρήνης, ηρεμίας και πολιτιστικής ακμής η οποία συνεχίστηκε και όταν αργότερα η αυτοκρατορία διαιρέθηκε και η Λήμνος έγινε τμήμα της Ανατολικής Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας. Ο ιατρός Γαληνός επισκέφτηκε την Μύρινα το 167μ.Χ. και αναφέρει ότι διένυε περίοδο ακμής.
Αρχαιολογικά κατάλοιπα της ρωμαϊκής εποχής είναι ορατά σε διάφορα σημεία μέσα στην σύγχρονη πόλη της Μύρινας και κάποια όπως εικάζεται και στην περιοχή του κάστρου, λ.χ. κάποιες δεξαμενές, όμως το τελευταίο μπορεί να τεκμηριωθεί μόνο κατόπιν μελέτης και ανασκαφικής διερεύνησης.
Αρκετοί περιηγητές εντόπισαν και μνημόνευσαν κατάλοιπα-μάρτυρες του αρχαίου παρελθόντος. Ο Γερμανός αρχαιολόγος Carl Fredrich, κατά την επίσκεψή του στο κάστρο το 1904, είχε εντοπίσει στα τείχη επισκευές και ανανεώσεις από την ελληνιστική, ρωμαϊκή και μεταγενέστερη εποχή καθώς και πολλά μαρμάρινα αρχαία μέλη ενσωματωμένα στα τείχη σε θέσεις μεταγενέστερης χρήσης. Ο Άγγλος ιστορικός Σίλι (Sealy), όταν επισκέφτηκε το κάστρο το 1918, είδε κοντά στην κορυφή του κάστρου πολλά μαρμάρινα κομμάτια μεταξύ των οποίων δυο μαρμάρινους κίονες με διάμετρο 0,30μ. και μήκος 3μ. έκαστος, βάσεις κιόνων και μαρμάρινες πλάκες ενσωματωμένες τόσο στο δάπεδο όσο και στους τοίχους. Κομμάτια από κίονες αναφέρει ότι είχε δει και ο Άγγλος περιηγητής Τόζερ (Tozer), ο οποίος είχε περάσει από το κάστρο το 1889, τονίζοντας ότι αυτά μαζί με μια απλή μαρμάρινη σαρκοφάγο ήταν τα μόνα ενδιαφέροντα αντικείμενα που είχε δει στο κάστρο.
Αξίζει να σημειωθεί ότι μια μαρμάρινη κεφαλή παιδίσκης των ρωμαϊκών χρόνων που βρίσκεται στο Μουσείο της Μύρινας, προέρχεται από την περιοχή του κάστρου.