Το κτίριο που σήμερα βρίσκεται το Μουσείο Λήμνου οικοδομήθηκε στα χρόνια της Τουρκοκρατίας , στα τέλη του 19ου αιώνα, και στέγασε το τούρκικο Διοικητήριο. Πρόκειται για διώροφο κτίριο με ισόγειο και στοιχεία λιτής νεοκλασικής αρχιτεκτονικής. Στον α΄ όροφο ένας ευρύς διάδρομος χωρίζει το χώρο σε δύο μέρη, όπου διαμορφώνονται μικρότερα δωμάτια. Μία ξύλινη κλίμακα οδηγεί στον β΄ όροφο όπου διαμορφώνονται πέντε δωμάτια, τα οποία επικοινωνούν με θυραία ανοίγματα.
Η ιδέα να ιδρυθεί εδώ το Αρχαιολογικό Μουσείο πρωτοσυζητήθηκε το 1930, οι προσπάθειες όμως σταμάτησαν εξαιτίας της αναταραχής που προκάλεσαν τα προμηνύματα του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.
Το Αρχαιολογικό Μουσείο της Λήμνου περιλαμβάνει ευρήματα όλων των ανασκαμμένων αρχαίων θέσεων, μεταξύ των οποίων και τα περίφημα πήλινα αγαλμάτια Αρχαϊκών χρόνων των Σειρήνων και Σφιγγών, αποτελεί κέντρο πολιτισμού για την τοπική κοινωνία και πόλο έλξης μεγάλου αριθμού επισκεπτών.
Η οργάνωση της έκθεσης το 1993 έγινε με σκοπό αφενός να εξασφαλιστεί η ανάδειξη των αρχαιοτήτων της Λήμνου και αφετέρου να μπορεί ο επισκέπτης να ακολουθήσει την ιστορική διαδρομή και εξέλιξη του νησιού με χρονολογική σειρά από τη Χαλκολιθική περίοδο έως τη Ρωμαιοκρατία. Έτσι, στις δύο πρώτες αίθουσες του α΄ορόφου, ένθεν και ένθεν του διαδρόμου της εισόδου, καθώς και στον κεντρικό διάδρομο παρουσιαζόταν η προϊστορική Λήμνος με ευρήματα κατά κύριο λόγο των ανασκαφών της Ιταλικής Αρχαιολογικής Σχολής από την Πολιόχνη, λιγότερα από τη Μύρινα , καθώς και μυκηναϊκά εκθέματα από το Κουκονήσι. Στον υπόλοιπο χώρο του ισογείου φιλοξενούνταν λίθινα εκθέματα, όπως γλυπτά, επιγραφές, καθώς και επιτύμβιες στήλες όχι μόνον από τη Λήμνο, αλλά και από την Ίμβρο .
Στον β΄ όροφο τα εκθέματα αναβίωναν την διαδρομή των Ιστορικών Χρόνων της Λήμνου, από τους Γεωμετρικούς χρόνους έως την Ύστερη Ρωμαιοκρατία, με εκθέματα από το Καβείριο, όπως τα αγγεία του αποθέτη, την Ηφαιστία με τα αφιερώματα στο Ιερό της Μεγάλης Θεάς και τα κτερίσματα της νεκρόπολης, και τη Μύρινα με τα ευρήματα του αποθέτη από το Ιερό της Αρτέμιδος εκτός των τειχών της αρχαίας πόλης. Ακολουθούσαν οι αίθουσες με τη Λήμνο των κλασικών και ελληνιστικών χρόνων: αττικά μελαμβαφή αγγεία, ειδώλια και σκεύη από τους τάφους των Αθηναίων κληρούχων και τα εργαστήρια της ελληνιστικής κεραμικής από την Ηφαιστία και τη Μύρινα.
Σε ένα ξεχωριστό δωμάτιο τοποθετήθηκαν όλα τα οστέινα και μεταλλικά αντικείμενα, τα κοσμήματα, τα εργαλεία και τα νομίσματα.
Λόγω του ισχυρού σεισμού που έπληξε το νησί της Λήμνου τον Μάιο του 2014, το Αρχαιολογικό Μουσείο υπέστη σοβαρότατες κτιριακές φθορές και ζημιές στα εκθέματα του β΄ ορόφου. Τον Οκτώβρη του 2014 ολοκληρώθηκαν οι εργασίες επισκευής του κτιρίου, ωστόσο δεν κρίθηκε σκόπιμη η επαναλειτουργία της έκθεσης του β΄ ορόφου, με το σκεπτικό ότι το Μουσείο έχρηζε ανανέωσης, βάση σύγχρονων μουσειακών αντιλήψεων, καθώς είχαν παρέλθει είκοσι τρία χρόνια από την τελευταία έκθεση.
Με γνώμονα το παραπάνω σκεπτικό, την ανάγκη ανάδειξης των εκθεμάτων με σύγχρονα μέσα, τον εκσυγχρονισμό και τη βελτίωση των υποδομών (πρόσβαση ΑμεΑ, αντικατάσταση προθηκών, σύγχρονα οπτικοακουστικά μέσα) και την ανάγκη να φιλοξενηθούν στις αίθουσες του Μουσείου πλήθος νέων σημαντικών ευρημάτων των πρόσφατων ανασκαφών, η Εφορεία Αρχαιοτήτων Λέσβου έχει προχωρήσει στον σχεδιασμό της επανέκθεσης.