H Λέσβος είχε για πρώτους κατοίκους τους προέλληνες Πελασγούς από το 15ο αιώνα π.Χ. Η Αxαϊκή περίοδος του νησιού ξεκινά από την εποχή του Τρωϊκού πολέμου, όταν οι Αχαιοί επισκέπτονταν τη Λέσβο λόγω της γειτνίασης της Λέσβου με την Τροία. Ο Όμηρος αναφέρεται στις συχνές "επισκέψεις" του Αχιλλέα στο νησί. Σε μια απο αυτές πήρε, ανάμεσα στα άλλα λάφυρα, τη Βρυσιίδα, την κοπέλλα που μαζί με τη Χρησιίδα απετέλεσαν τη σταγόνα που ξεχείλισε το ποτήρι στη διαμάχη του Αχιλλέα με τον Αγαμέμνονα. Η Αιολική περίοδος του νησιού ξεκίνησε με την εποίκησή του από τους Αιολείς, ένα από τα Ελληνικά φύλλα, που μαζί με τους 'Ιωνες και τους Δωριείς αποτέλεσαν στη συνέχεια τον κορμό της Ελληνικής φυλής. Η παράδοση τοποθετεί τον Πενθιλίδη να ιδρύει τη δυναστεία του τον 11ο αιώνα π.X. Οι Αιολείς σταδιακά εξαπλώθηκαν στην απέναντι μικρασιατική ακτή.

  Όντας ένα μεγάλο νησί η Λέσβος υπήρξε παραδοσιακά ισχυρή ναυτική δύναμη. Mετά από μια σύντομη Περσική κατοχή (492-479 π.Χ.) η Λέσβος εντάχθηκε στην πρώτη Αθηναϊκή Συμμαχία, αλλά στη διάρκεια του πελοποννησιακού πολέμου επαναστάτησε κατά των Αθηναίων και πήρε το μέρος των Σπαρτιατών. Το 427 π.Χ. οι Αθηναίοι τιμώρησαν παραδειγματικά τη Μυτιλήνη, γρεμίζοντας τα τείχη της πόλης και σκοτώνοντας 1.000 ανδρες. Το 405 π.Χ. οι Σπαρτιάτες επέβαλαν την ηγεμονία τους στο νησί, μέχρι το 334 π.Χ., όταν οι Λέσβιοι συμμάχησαν μαζί με τις υπόλοιπες Ελληνικές δυνάμεις του Μεγάλου Αλεξάνδρου. Μετά το θάνατο του στρατηλάτη, η Λέσβος εντάχθηκε στην ηγεμονία του Πτολεμαίου, και το 88 π.Χ. υποτάχθηκε στους Ρωμαίους.