Ο οικισμός της Πολιόχνης βρίσκεται στην ανατολική ακτή της Λήμνου, πάνω σε επίμηκες ύψωμα που προστατεύεται από τον όρμο του Βρόσκοπου και περιβάλλεται από τους ποταμούς Αυλάκι στα δυτικά και Στενουδιακό στα βόρεια. Η Πολιόχνη θεωρείται ως ένα από τα μεγάλα πρωτοαστικά κέντρα της πρώιμης εποχής του Χαλκού και οφείλει την ανάπτυξή της στον πρωταγωνιστικό ρόλο που έπαιξε στη διακίνηση του διαμετακομιστικού εμπορίου με τα νησιά του βορειοανατολικού Αιγαίου, τα απέναντι μικρασιατικά παράλια, τις ακτές της ηπειρωτικής Ελλάδας και τα νησιά των Κυκλάδων. Στην Πρώιμη Εποχή του Χαλκού, γνώρισε τόσο μεγάλη άνθηση, ώστε να θεωρείται σήμερα η αρχαιότερη πόλη της Ευρώπης με πρώιμη μορφή κοινωνικής και αστικής οργάνωσης.

Η Λήμνος σύμφωνα με τη σύγχρονη αρχαιολογική έρευνα εντάσσεται στον πολιτισμό του βορειοανατολικού Αιγαίου μαζί με την Τροία, τη Θερμή στη Λέσβο, το Εμποριό στη Χίο και το Ηραίο στη Σάμο. Με κομβική θέση ανάμεσα στη δυτική Μικρά Ασία και το Αιγαίο η Λήμνος εξυπηρετούσε τη διακίνηση των μεταλλευμάτων και γενικότερα του θαλάσσιου εμπορίου.

'Οσον αφορά την Πολιόχνη το ασφαλές αγκυροβόλιο, το άφθονο πόσιμο νερό και η κατάλληλη για καλλιέργεια περιοχή κατέστησαν το λόφο όπου οικοδομήθηκε ο οικισμός κατοικήσιμο από τα μέσα περίπου της 5ης έως το τέλος της 2ης χιλιετίας π.Χ.

Κάθε αρχιτεκτονική φάση του οικισμού συμβολίζεται με ένα ξεχωριστό χρώμα. Κατά τη ''μελανή περίοδο'' (3700-3200 π.Χ.), που αντιστοιχεί στη νεολιθική, το μικρό χωριό με τις ωοειδείς καλύβες καταλάμβανε το μέσον του λόφου. Στην Πρώιμη Εποχή του Χαλκού, δηλαδή από την ''κυανή'' έως την ''κίτρινη περίοδο'' σημειώθηκε η μεγάλη ανάπτυξη του οικισμού. Ο οικισμός της ''κυανής περιόδου'' (3200-2700 π.Χ.) φαίνεται ότι ιδρύθηκε πριν την ''Τροία Ι'' και εκτεινόταν σε όλο το ακρωτήριο, έχοντας πληθυσμό περίπου 800-1000 άτομα. Στην ''πράσινη περίοδο'' (2700-2400 π.Χ.) είχε τη μεγαλύτερη εξάπλωση με 1500 κατοίκους κατά προσέγγιση. Όμως από τη ''ερυθρή'' (2400-2200 π.Χ.) έως την ''κίτρινη περίοδο'' (2200-2100 π.Χ.) σταδιακά συρρικνώθηκε και τελικά ο ισχυρός σεισμός στο τέλος της 3ης χιλιετίας π.Χ. προκάλεσε την καταστροφή και τη σχεδόν ολοκληρωτική εγκατάλειψή του.

Στις περιόδους ακμής οικοδομήθηκαν ισχυροί αναλημματικοί τοίχοι, τείχος με προμαχώνες, δημόσια κτήρια, πλατείες, λιθόστρωτοι δρόμοι με αποχετευτικό σύστημα, πηγάδια, μέγαρα και άλλες μικρότερες λιθόκτιστες οικίες. Στην κεραμική παρουσιάζονται νέα πρωτότυπα σχήματα, που βαθμιαία εξελίσσονται: η καρποδόχη με ψηλό πόδι στη μελανή περίοδο, η τριποδική χύτρα στην κυανή και το δέπας αμφικύπελλον στην κίτρινη, τύπος κοινός και στα ύστερα στρώματα της ''Τροίας ΙΙ''. Οι κύριες ενασχολήσεις των κατοίκων ήταν η αγροκτηνοτροφία, η αλιεία, η υφαντουργία και η κατασκευή λίθινων εργαλείων και όπλων. Επίσης, υπάρχουν ενδείξεις για την κατεργασία του μετάλλου με την τεχνική της κηρόχυσης, πιθανόν ήδη από την ''πράσινη περίοδο'', ενώ από την ''ερυθρή'' φαίνεται ότι εντείνεται η εμπορική δραστηριότητα.

Σύντομα, στη ''φαιά'' και ''ιώδη περίοδο'' (2η χιλιετία π.Χ.), η ζωή επανήλθε στο χώρο με περιορισμένες εγκαταστάσεις. Το ύψωμα ερημώθηκε προς το τέλος της Ύστερης Εποχής του Χαλκού μέχρι τη μεσαιωνική εποχή. Ο προϊστορικός οικισμός της Πολιόχνης αποκαλύφτηκε στη δεκαετία του 1930 από την Ιταλική Αρχαιολογική Σχολή. Από το 1931 έως το 1936 ο διευθυντής της Σχολής A. Della Seta, μαζί με τους μαθητές του, έφεραν στο φως τα δύο τρίτα περίπου του οικισμού. Οι έρευνες συνεχίστηκαν από τον L. Bernabο Brea από το 1951 έως το 1956, οπότε και δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα των ανασκαφών. Από το 1986 έως σήμερα πραγματοποιείται ένας νέος κύκλος εργασιών με επικεφαλής τον S. Tine, με στόχο την αναστήλωση των κτισμάτων και την επανεξέταση ορισμένων δεδομένων με τη διενέργεια διερευνητικών τομών.

Στη Λήμνο αναπτύχθηκαν παράλληλα με την Πολιόχνη και άλλα οικιστικά κέντρα. Στη Μύρινα, στη νοτιοδυτική ακτή του νησιού, έχουν αποκαλυφθεί από τις πρόσφατες σωστικές ανασκαφές της Κ΄ ΕΠΚΑ δύο θέσεις: η μία στο λόφο του Μετεωρολογικού Σταθμού και η άλλη στα Ρηχά Νερά, η οποία αναδεικνύεται σε επισκέψιμο αρχαιολογικό χώρο με το ευρωπαϊκό επιχειρησιακό πρόγραμμα ''Πολιτισμός''. Στο Κουκκονήσι, στον προφυλαγμένο όρμο του Μούδρου, όπου από το 1992 πραγματοποιείται ανασκαφή συνεργασίας με τον ερευνητή Χ. Μπουλώτη εκ μέρους της Ακαδημίας Αθηνών, έχουν εντοπιστεί σημαντικές κατασκευές που ανάγονται στην ''ερυθρή περίοδο''. Οι οικισμοί στο Βριόκαστρο, την Τροχαλιά, το Μικρό Καστέλλι και την Αξιά φαίνεται ότι ήταν μικρότερης σημασίας.