Κατά τους περσικούς πολέμους οι κάτοικοι της Λήμνου πολέμησαν εναντίον του Δαρείου, αλλά γύρω στα 512 π.Χ. υποτάχθηκαν στον Πέρση στρατηγό Οτάνη. Η πρώτη περσική κατοχή κράτησε μέχρι το 510 π.Χ., οπότε το νησί περιήλθε στους Αθηναίους. Μία δεύτερη περσική κατοχή (493-479 π.Χ.) έληξε με τη ναυμαχία – μάχη της Μυκάλης. 

Από τα μέσα του 5ου αιώνα εγκαταστάθηκαν στη Λήμνο πλήθος Αθηναίων κληρούχων καθώς και αθηναϊκή φρουρά. Οι κληρούχοι προέρχονταν κυρίως από τις πιο φτωχές τάξεις – ήταν θήτες ή ζευγίτες – και διατηρούσαν την ιδιότητα του Αθηναίου πολίτη. Τους δόθηκαν αγροτικές εκτάσεις στο νησί, τις οποίες εκμεταλλεύονταν και παράλληλα είχαν υπό τον έλεγχό τους τον ντόπιο πληθυσμό, που περιέπεσε σε καθεστώς υποτέλειας.
Συγκρότησαν δύο δήμους, της Μύρινας και της Ηφαιστίας, γι’ αυτό η Λήμνος συχνά αποκαλούνταν Δίπολις.

Οι κάτοικοι του νησιού συγχωνεύτηκαν με τους Αθηναίους κληρούχους και από τον 4ο π.Χ. αιώνα στο νησί υπάρχει βουλή, συνέλευση και πολιτικές δραστηριότητες ανάλογες με αυτές των Αθηνών.

Με χρήματα των κληρούχων φτιάχτηκε το άγαλμα της Αθηνάς Λημνίας, το οποίο στήθηκε στην Ακρόπολη γύρω στο 450 π.Χ., αντίγραφο του οποίου βρίσκεται σήμερα στο Μουσείο της Δρέσδης

Περισσότερα στο άρθρο μας Φειδίας – Παυσανίας – Άντολφ Φουρτβένγκλερ

Η αθηναϊκή επικυριαρχία στη Λήμνο, αν και με το πέρασμα των αιώνων μειωνόταν, εξακολούθησε να διατηρείται μέχρι το τέλος του κλασικού κόσμου. Ο Στράβων αναφέρει ότι η Λήμνος θεωρείτο προσκείμενη της χερσαίας Ελλάδας και όχι της Μικρασίας ως την ύστερη ρωμαϊκή εποχή.