Το αρχαιολογικό μουσείο της Λήμνου λειτουργεί από το 1961. Βρίσκεται στον Ρωμέικο γιαλό, κοντά στο Γυμνάσιο. Περιλαμβάνει τα ευρήματα από τις ανασκαφές της Ιταλικής Αρχαιολογικής Σχολής στην Πολιόχνη, το Καβείριο και την Ηφαιστεία, ευρήματα ανασκαφών από τη Μύρινα, αλλά και ευρήματα από ολόκληρο το νησί. Η έκθεση ακολουθεί τη χρονολογική εξέλιξη της ιστορίας της Λήμνου.

Ο επισκέπτης μπαίνει κατευθείαν στο χώρο του ισογείου όπου παρουσιάζεται η προϊστορική Λήμνος. Ευρήματα από την Πολιόχνη, από την αρχαιότερη τη λεγόμενη Μαύρη ως τη νεότερη την Ιώδη περίοδο, ποικίλα τεχνήματα της Μύρινας από τη Χαλκολίθινη και την Πρώιμη Εποχή του Χαλκού, καθώς και αντικείμενα της ίδιας εποχής που περισυνελέγησαν απ' όλη τη Λήμνο και δείγματα μυκηναϊκής κεραμικής απ' το Κουκονήσι.

Στον ίδιο χώρο εκτίθενται τα μαρμάρινα του Μουσείου. Γλυπτά, επιγραφές, επιτύμβιες στήλες από τη Λήμνο και την Ίμβρο. Απ' αυτά ξεχωρίζουν το θαυμάσιο αντίγραφο του Έρωτα, έργο του γλύπτη Λύσιππου, ο Γανυμίδης από τραπεζοφόρο, τα νεκρόδειπνα, ψηφίσματα και δύο μαρμάρινες ανάγλυφες λήκυθοι. Στον δεύτερο όροφο με τα ξύλινα δάπεδα ο επισκέπτης οδηγείται κατ' αρχήν στη Λήμνο του 8ου, 7ου και 6ου π.Χ. αιώνα.

Στην τελευταία αίθουσα παρουσιάζεται η Λήμνος των ελληνιστικών χρόνων. Κεραμικοί τροχοί, μήτρες ανάγλυφων αγγείων και ειδωλίων, σφραγίδες και σκεύη καθημερινής χρήσης. Στον ίδιο χώρο επιγραφικές μαρτυρίες για τη Ρωμαϊκή Λήμνο. Σ' ένα ξεχωριστό, ειδικά κλιματιζόμενο δωμάτιο, για λόγους ασφαλείας και διατήρησης, τοποθετήθηκαν όλα τα οστέινα και μεταλλικά αντικείμενα, κοσμήματα, εργαλεία, νομίσματα.

 Στο Μουσείο Ναυτικής Παράδοσης και Σπογγαλιείας Νέας Κούταλης παρουσιάζεται η ναυτική παράδοση των προσφύγων από το νησί Κούταλη της Προποντίδας. Στη Νέα Κούταλη οι πρόσφυγες του 1922 ασχολήθηκαν σχεδόν αποκλειστικά με τη σπογγαλιεία και την επεξεργασία των σφουγγαριών.

 Η έκθεση του νέου μουσείου αποτελείται από τρεις ενότητες: Στην πρώτη παρουσιάζεται η ναυτική ζωή των Kουταλιανών πριν από τον ξεριζωμό τους από την Προποντίδα.

Στην ενότητα αυτή εκτίθενται κειμήλια και αρχειακές φωτογραφίες από την παλιά πατρίδα τους.

Στη δεύτερη ενότητα παρουσιάζεται η σπογγαλιεία και η επεξεργασία των σφουγγαριών στη Νέα Κούταλη της Λήμνου. Τα εκθέματα της δεύτερης ενότητας είναι ο εξοπλισμός των δυτών, τα εξαρτήματα των σπογγαλιευτικών καϊκιών, τα είδη των σφουγγαριών, τα εργαλεία επεξεργασίας και τα μηχανήματα συσκευασίας των σφουγγαριών.

Στην τελευταία ενότητα εκτίθεται η αρχαιολογική συλλογή της Νέας Κούταλης, η οποία αποτελείται από αντικείμενα που περισυνέλεξαν οι σφουγγαράδες από τα βάθη της θάλασσας.

Η δημιουργία της συλλογής ξεκίνησε τη δεκαετία 1950-1960 με πρωτοβουλία του διευθυντή του Δημοτικού Σχολείου Νέας Κούταλης. Αποτελείται από μια μεγάλη συλλογή αμφορέων, άλλων κεραμικών σκευών, εξαρτημάτων από αρχαίες άγκυρες και άλλα μικρά αντικείμενα από αρχαία ναυάγια. Στο μουσείο διατίθεται συνοπτικός κατάλογος των εκθεμάτων.

Σε μικρή απόσταση βρίσκεται και το Μητροπολιτικό Μέγαρο όπου στεγάζεται το Εκκλησιαστικό Μουσείο του νησιού με πάρα πολλά σκεύη, εικόνες, άμφια και άλλα εκκλησιαστικά κειμήλια. Λίγο πιο πέρα βρίσκεται ο Μητροπολιτικός Ναός της Αγίας Τριάδας που χτίστηκε με χρήματα των Λημνιών καραβοκύρηδων στη θέση μιας παλιάς ξύλινης εκκλησίας, όπου απαγχονίστηκε το 1870 από τους Τούρκους ο Μητροπολίτης του νησιού Ιωακείμ.

Το λαογραφικό Μουσείο Λήμνου βρίσκεται στο χωριό Πορτιανού. Ιδρύθηκε το 1995 και είναι ένας πραγματικός φόρος τιμής στην αστείρευτη παράδοση της Λήμνου.

Εκθέματα από την καθημερινή ζωή των Λημνιών των περασμένων αιώνων, δίνουν ζωή στο όμορφο παραδοσιακό κτίριο που στεγάζει το μουσείο, ζωντανεύοντας εποχές που νοσταλγού οι ντόπιοι και θαυμάζουν οι ξένοι. 

Οικιακά σκεύη, εργόχειρα, εργαλεία καθημερινής χρήσης και παραδοσιακές φορεσιές αποκαλύπτουν στον επισκέπτη τη μοναδική Λημνιακή λαϊκή κληρονομιά.