Σύμφωνα με τη μυθολογία, ο Φιλοκτήτης, εγκαταλείφθηκε στη συγκεκριμένη σπηλιά του νησιού από τους συμπολεμιστές του. Πηγαίνοντας στην Τροία να πολεμήσουν στον Τρωικό Πόλεμο, ο στόλος των Ελλήνων σταμάτησε για ανεφοδιασμό στη Λήμνο. Εκεί, ένα δηλητηριώδες φίδι τσίμπησε τον Φιλοκτήτη, προκαλώντας του αφόρητους πόνους και τραύμα με ανυπόφορη δυσοσμία. Οι μέρες περνούσαν, το τραύμα δεν επουλωνόταν και μη μπορώντας να αντέξουν τη δυσοσμία, οι Έλληνες ομόφωνα αποφάσισαν να αφεθεί ο τραυματίας Φιλοκτήτης στο νησί της Λήμνου και να συνεχιστεί η εκστρατεία χωρίς αυτόν.

Ξεχασμένος από τους πάντες, ο άνδρας κατάφερε να γιατρευτεί με τη βοήθεια της Λημνίας Γης και να επιβιώσει για 10 ολόκληρα χρόνια. Όμως, η μοίρα φαίνεται να μην τον ήθελε να μείνει για πάντα στο νησί. Ένας χρησμός τού έδωσε την ευκαιρία να φύγει από τη σπηλιά  και να σμίξει ξανά με τους άντρες του, καθώς όντας κάτοχος του τόξου και των δηλητηριωδών βελών του Ηρακλή, κλήθηκε να βοηθήσει στον πόλεμο για την πτώση της Τροίας. Μια αντιπροσωπεία Ελλήνων επέστρεψε στη Λήμνο και τον πήρε μαζί της, για να πολεμήσει στην Τροία, βάζοντας έτσι τέλος στο δεκαετή πόλεμο.

Έπειτα από αιώνες, η ιστορία του Φιλοκτήτη ενέπνευσε το Σοφοκλή να δημιουργήσει μια τραγωδία 1.471 στίχων, με κεντρικό πρόσωπο τον γενναίο ήρωα. Τον 11ο αιώνα το νησί περιήλθε στους Πελασγούς και οι Μινύες που το εγκατέλειψαν εγκαταστάθηκαν στην Τριφυλία, κοντά στην Πύλο.