Ο βυζαντινός ναός της Παναγίας Τρουλωτής (ή Τουρλωτή) είναι χτισμένος στους Πύργους Θερμής Λέσβου στην κορυφή ενός λόφου ο οποίος αντικρύζει τα μικρασιατικά παράλια και στεφανώνει την περιοχή «Πετραλώνια?, όπου απλωνόταν ο αρχαίος οικισμός της Θερμής.

Ανήκει στον τύπο του απλού τετρακιόνιου σταυροειδούς εγγεγραμμένου ναού με κυλινδρικό τρούλο. Λόγω των μικρών διαστάσεων του και για την κάλυψη των αυξανόμενων αναγκών στέγασης των πιστών προστέθηκε μεταγενέστερα νάρθηκας στη δυτική του πλευρά. Στη βόρεια πλευρά του νάρθηκα προσκολλήθηκε αργότερα και μικρός εξωνάρθηκας που δεν υφίσταται σήμερα. Ο ναός έχει υποστεί μετατροπές σε διάφορα μέρη του, όπως στις αψίδες του τριμερούς Ιερού Βήματος, που επηρεάζουν την εικόνα του μνημείου χωρίς όμως να μειώνουν την σπουδαιότητά του. Σε μετατροπή οφείλεται η κατάργηση των παλαιών τρίλοβων παραθύρων και η αντικατάστασή τους με νέα τετραγωνικού σχήματος.

Η εξωτερική εικόνα του ναού είναι λιτή. Είναι χτισμένος από ντόπιο υλικό με αργολιθοδομή, με ελάχιστα στοιχεία πλίνθινου διακόσμου, που περιορίζεται στα παράθυρα, τα τόξα των οποίων περιβάλλονται μερικώς από μονή σειρά πλίνθων στα σημεία όπου πιθανόν υπήρχε πλίνθινος διάκοσμος. Μαρμάρινα μέλη σε δεύτερη χρήση βρίσκονται εντοιχισμένα σε διάφορα μέρη του ναού. Αρχαία επιγραφή έχει εντοιχιστεί στα αριστερά της εισόδου, ενώ στη δυτική πλευρά δύο μαρμάρινες ανάγλυφες πλάκες απεικονίζουν θηριομαχία και θηρίο που σπαράσσει ελάφι.

Εσωτερικά ο ναός ήταν άλλοτε κατάγραφος από τοιχογραφίες. Σήμερα σώζεται μικρό τμήμα αυτών στον τρούλο, στους τοίχους και στους πεσσούς. Οι τοιχογραφίες χρονολογούνται με επιγραφή στο έτος 1650. Στον τρούλο σώζεται ο Παντοκράτορας, στα σφαιρικά τρίγωνα τα εξαπτέρυγα και μεμονωμένοι άγιοι στους τοίχους και τους πεσσούς του ναού. Στο Ιερό Βήμα έχουν διασωθεί σπαράγματα στην κεντρική κόγχη και στην πρόθεση.

Η απόξεση κονιαμάτων έφερε στο φως ελάχιστα τμήματα ζωγραφικού διακόσμου που πρέπει να χρονολογηθούν μάλλον στο τέλος του 12ου αιώνα (Γ. Γούναρης).

Το ξύλινο τέμπλο του ναού είναι μεταγενέστερο και χρονολογείται στον 18ο αι. Ξεχωρίζουν σε δύο θωράκιά του οι ανάγλυφες παραστάσεις των πρωτοπλάστων και η θυσία του Αβραάμ.

Από το ναό προέρχεται και η μαρμάρινη φιάλη αγιασμού που θα μπορούσε να χρονολογηθεί στη βυζαντινή περίοδο.

Η ανέγερση του ναού τοποθετείται από τους περισσότερους στον 14ο- 15ο αιώνα. Πρόσφατα έχει προταθεί η χρονολόγησή του στον 10ο αιώνα και ο συσχετισμός του με τα μεταβατικά μνημεία της εποχής .