Το ιερό των Καβείρων συγκαταλέγεται στα αρχαιότερα και μακροβιότερα ιερά του αιγαιακού νησιωτικού κόσμου. Ιδρυμένο προς το τέλος του 8ου αι. π.Χ. στα βόρεια του νησιού, στο ακρωτήριο Χλόη αποτέλεσε ζωτικό κέντρο μυστηριακής λατρείας από την πρωτολημνιακή περίοδο μέχρι τους υστερορωμαϊκούς χρόνους. Αποκαλύφθηκαν τρία τελεστήρια, που χρονολογούνται αντίστοιχα στους αρχαϊκούς, ελληνιστικούς και υστερορωμαϊκούς χρόνους. Το αρχαϊκό τελεστήριο, του 7ου αι. π.Χ., είναι ένα κτίριο ακανόνιστης ορθογώνιας κάτοψης με θρανία από διπλή σειρά πλίνθων τελετουργικής χρήσης και μια ορθογώνια θεμελίωση με κυκλική προεξοχή, ένα είδος βωμού ή "βήματος". Το ελληνιστικό τελεστήριο, του 200 π.Χ. είναι ένα πρόστυλο κτίριο με δωδεκα δωρικούς κίονες. Αποτελείται από ένα μεγάλο κεντρικό χώρο, χωρισμένο κάθετα σε τρία τμήματα από δύο σειρές ιωνικών κιόνων, με άνοιγμα στο βορρά. ένας κάθετος στο κτίριο διάδρομος χώριζε το τελεστήριο από μια σειρά δωματίων, τα άδυτα που το έκλειναν από το βορρά. Λεηλατήθηκε και κάηκε κατά τους ρωμαϊκούς αυτοκρατορικούς χρόνους, ανάμεσα στο 2ο και στον 3ο αιώνα μ.Χ., όταν η περιοχή εγκαταλείφθηκε και λειτούργησε ως ένα μεγάλο «λατομείο» για την οικοδόμηση μεταγενέστερων κτηρίων.

Το υστερορωμαϊκό τελεστήριο (η λεγόμενη Βασιλική), θεμελιωμένο πάνω στο αρχαϊκό, αποτελούσε μια αίθουσα, μήκους 17 μ., χωρισμένη σε τρία μέρη από δύο σειρές πέντε κιόνων. Τα δύο πλευρικά τμήματα είχαν μεγαλύτερο μήκος από το κεντρικό, με θρανία τουλάχιστον κατά μήκος του νότιου τοίχου. Η κεντρική αίθουσα χωρίζεται από τα άδυτα με διάδρομο. Η διαμόρφωσή του δείχνει ότι θέλησαν να επαναλάβουν, σε γενικά πλαίσια αλλά σε μικρότερες διαστάσεις, την κάτοψη του κατεστραμμένου παλαιού ελληνιστικού κτηρίου Τα ερείπιά του αντιπροσωπεύουν την τελευταία περίοδο ύπαρξης του ιερού και μαρτυρούν τη μακρά επιβίωση της λατρείας των Καβείρων στη Λήμνο. Δεν υπάρχει κανένα ίχνος αντικατάστασης της λατρείας αυτής με τη χριστιανική. Ίσως η καταστροφή του οικοδομήματος και το οριστικό τέλος του ιερού να οφειλόταν στην καταστροφική μανία των πρώτων χριστιανών στα τέλη του 3ου ή τις αρχές του 4ου αιώνα π.Χ. Από αυτή την περίοδο σώζονται οικοδομικά λείψανα κατοικιών.