Η Μήθυμνα που καταλαμβάνει μια μικρή χερσόνησο στη βόρεια ακτή του νησιού, ιδρύθηκε πιθανότατα μετά την άφιξη των Αιολέων. Όπως αποδεικνύεται από τις πρόσφατες ανασκαφικές έρευνες, η πόλη της Μήθυμνας γνώρισε τη μεγαλύτερη άνθηση κατά την αρχαϊκή περίοδο, οπότε κατελάμβανε και τη μεγαλύτερη έκταση, που ταυτίζεται σχεδόν με το σύγχρονο παραδοσιακό οικισμό. Από τον 4ο αιώνα π.Χ., η πόλη περιορίζεται προς την ακρόπολη και τη Ντάπια, όπου σώζεται σε μεγάλο ύψος ένα τμήμα του αμυντικού τείχους της Ελληνιστικής εποχής, το οποίο ενσωματώθηκε στο σημερινό Μεσαιωνικό Κάστρο.

Επίσης, σώζονται λείψανα από τον μώλο του αρχαίου λιμανιού, που είναι ορατά στη θέση που βρίσκεται το σύγχρονο λιμάνι, καθώς και τμήματα του υδραγωγείου της ρωμαϊκής εποχής που μετέφερε το νερό από τον Λεπέτυμνο στη Μήθυμνα.

Σημαντικά στοιχεία για την αρχαία Μήθυμνα προέρχονται από σωστικές ανασκαφές της Κ΄ ΕΠΚΑ σε οικόπεδα ιδιωτών και στα πλαίσια δημοσίων έργων.

Στη θέση Ντάπια εντοπίστηκε το αρχαϊκό νεκροταφείο της πόλης και οικοδομικά κατάλοιπα της ελληνιστικής πόλης ενώ η νεκρόπολη των ελληνιστικών και ρωμαϊκών χρόνων αποκαλύφθηκε κατά μήκος του δρόμου που οδηγεί από την Μήθυμνα στη Πέτρα.

Τέλος, στα ανατολικά του σημερινού λιμανιού, στην οδό Κέπετζη, αποκαλύφθηκε λουτρικό συγκρότημα της ελληνιστικής εποχής και της εποχής της ρωμαιοκρατίας (3ος αι. π.Χ. ? 3ος αι. μ.Χ.), με ορθογώνιους χώρους ψυχρού και χλιαρού λουτρού, που συνδέονται με διαδρόμους και διαθέτουν ενιαίο σύστημα αγωγών ύδρευσης και αποχέτευσης.

Η Μήθυμνα σήμερα αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους διατηρητέους οικισμούς του Αιγαίου.