Στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Λήμνου παρουσιάζεται η ιστορική διαδρομή και η εξέλιξη του νησιού χρονολογικά, από τη χαλκολιθική περίοδο ως τη ρωμαιοκρατία. Η έκθεση καταλαμβάνει και τους δύο ορόφους του κεντρικού κτιρίου. Στον πρώτο όροφο φιλοξενούνται εκθέματα της προϊστορικής Λήμνου. Στις δύο αίθουσες του ίδιου ορόφου για στατικούς λόγους τοποθετήθηκαν επίσης τα λίθινα του Μουσείου: γλυπτά, επιγραφές και επιτύμβιες στήλες από τους κλασικούς χρόνους ως τη ρωμαϊκή περίοδο. Στον δεύτερο όροφο παρουσιάζεται η Λήμνος των ιστορικών χρόνων από τον 8ο π.Χ. αι. ως τους ρωμαϊκούς χρόνους. Τα εκθέματα προέρχονται από ανασκαφές της Κ' ΕΠΚΑ και της Ιταλικής Αρχαιολογικής Σχολής. Πρόκειται για αγγεία, σκεύη καθημερινής χρήσης, κτερίσματα τάφων, αφιερώματα, ειδώλια, μήτρες, σφραγίδες, επιγραφικές μαρτυρίες, οστέϊνα και μετάλλινα αντικείμενα, κοσμήματα, εργαλεία και νομίσματα.

Το κτίριο κατασκευάστηκε τον 19ο αι. και περιλαμβάνει το κεντρικό διώροφο, εμβαδού 605 τ.μ περίπου, τους εξωτερικούς αποθηκευτικούς χώρους και την αυλή. Το κτίριο του Μουσείου Λήμνου αποτελεί τυπικό διώροφο δείγμα της εποχής. Εκτός από τους δύο ορόφους, στους οποίους φιλοξενείται η έκθεση, υπάρχει και ισόγειο, στο οποίο βρίσκονται: το γραφείο του αρχιφύλακα, οι αποθήκες, ο χώρος του εργαστηρίου καθώς και W.C. Η στέγη είναι ξύλινη με κεραμίδια. Στον πρώτο όροφο υπάρχουν επίσης: το φυλάκειο, ο χώρος με τα πωλητέα είδη καθώς και ξενώνας, ενώ στον δεύτερο όροφο, ο οποίος διαθέτει δύο πρόβολα (μπαλκόνια) στην πρόσοψη και στην πίσω όψη του κτιρίου, υπάρχουν: η βιβλιοθήκη και το W.C. Η πρόσβαση στην έκθεση γίνεται με τη διπλή λίθινη κλίμακα, ενώ οι όροφοι και το ισόγειο επικοινωνούν με κλίμακα εσωτερική, εν μέρει, ξύλινη και εν μέρει από μπετόν. Οι εξωτερικές αποθήκες βρίσκονται πίσω από το διώροφο και χωρίζονται σε τρεις αίθουσες.

Το 1963 με τις επισκευές του κτιρίου αντικαταστάθηκε το ξύλινο δάπεδο του πρώτου ορόφου από δάπεδο μπετόν, που επενδύθηκε με κεραμικές πλάκες κατά τις επισκευές του 1993.

Υπάρχει κεντρική θέρμανση (καλοριφέρ) και σε ορισμένες αίθουσες κλιματισμός, συστήματα συναγερμού και τηλέφωνο. Δεν υπάρχει στους ορόφους δυνατότητα πρόσβασης σε ΑΜΕΑ.