Βρίσκεται στο κέντρο περίπου του νησιού και το αρχικό όνομα του χωριού ήταν Σαρπί. Η Καλλιθέα είναι χτισμένη αμφιθεατρικά στην πλαγιά ενός χαμηλού λόφου σε απόσταση περίπου 800 μέτρων από τον κόλπο του Μούδρου. Η τοποθεσία παρέχει πανοραμική θέα. Λόγω αυτής της θέσης, το 1955 μετονομάστηκε σε «Καλλιθέα», μιας και το προηγούμενο όνομα θεωρήθηκε τουρκογενές. Όμως, το Σαρπίν αναφέρεται σε απογραφικό έγγραφο της μονής Μεγίστης Λαύρας από το 1361. Συνεπώς, το τοπωνύμιο δεν μπορεί να έχει τουρκική προέλευση. Αντιθέτως, έχει πανάρχαια προέλευση και ίσως είναι ένα από τα λίγα μυκηναϊκά τοπωνύμια που επιβίωσαν στη Λήμνο. Συγκεκριμένα, σε μυκηναϊκές επιγραφές αναφέρεται η λέξη «sa-pi-de: κουτί» , από την οποία προήλθαν οι αρχαίες λέξεις «σαρπίς (η)» και «σάρπος (η): κιβωτός» και κατ’ επέκταση: «ξύλινη οικία». Παλιότερα το χωριό ήταν χτισμένο ανατολικότερα, στον όρμο «Άγιος Γεώργιος», αλλά οι κάτοικοι αναγκάστηκαν να μετοικήσουν εξαιτίας αφενός των πειρατικών κινδύνων κι αφετέρου του βαλτώδους εδάφους.
Το 1868 λειτούργησε στο χωριό η «Παλαιολογική Σχολή Σαρπίου», η πρώτη αλληλοδιδακτική σχολή στο νησί, εκτός της πρωτεύουσας. Το 1868 κτίστηκε εκ βάθρων ο ναός του Αγίου Γεωργίου με «τη συνδρομή των ευσεβών κατοίκων». Είναι ρυθμού βασιλικής και στο εσωτερικό του ξεχωρίζουν τα καφασωτά στο γυναικωνίτη, οι αγιογραφίες του Παύλου Θωμά (1870), του Ευστρατίου Ιμβρίου και του Γρηγορίου Παπαμαλή (1918-23).