Η Μητρόπολη Λήμνου είναι χτισμένη στη Μύρινα και είναι ο επιβλητικός ναός της Αγίας Τριάδας. Βρίσκεται στην περιοχή Τρίφωτο, κοντά στην πέτρινη γέφυρα της πόλης και χτίστηκε το 1864.
Το έργο ανατέθηκε στον μεγάλο ναοδόμο της εποχής Ζαχαρία Φιλιππότη από την Τήνο και για την πραγματοποίησή του προσέφεραν χρήματα απόδημοι Λημνιοί. Η Μητρόπολη Λήμνου είναι τρίκλιτος ναός, ρυθμού βασιλικής με τρούλο, με εντοιχισμένα στην πρόσοψη δύο εντυπωσιακά καμπαναριά, που χτίστηκαν με δωρεά του Παύλου Ψαρώφ το 1910.
Το τέμπλο του ναού είναι πραγματικό έργο τέχνης, ξυλόγλυπτο και επιχρυσωμένο, και μεταφέρθηκε στη Μητρόπολη Λήμνου από τον παλιό Άγιο Νικόλαο Μύρινας, που κατεδαφίστηκε επί Τουρκοκρατίας και δεν ανοικοδομήθηκε. Στην αγιογράφηση του ναού ξεχωρίζει η μαρτυρική αγιογράφηση κάποιου τάματος, όπου απεικονίζεται ο Άγιος Νικόλαος να κρατά το τιμόνι ενός μεγάλου ιστιοφόρου που πλέει με τουρκική σημαία.
Όπως μαρτυρούν οι ιστορικές πηγές, στη θέση που βρίσκεται σήμερα η Μητρόπολη Λήμνου υπήρχε ήδη ναός από το 1479. Μετά την αποτυχία της επανάστασης των Ορλοφικών (1770), οι Τούρκοι του Κάστρου κατέκαψαν το ναό και απαγχόνισαν στη γέφυρα τον τότε Μητροπολίτη Λήμνου Ιωακείμ, την προτομή του οποίου βλέπουμε σήμερα στον καταπράσινο κήπο που περιβάλλει την Αγία Τριάδα και που διαθέτει πηγάδι και πέτρινη κρήνη. Έκτοτε έγιναν απόπειρες αναμόρφωσης του ναού, που κατέληξαν στην εξαρχής δημιουργία της σημερινής Μητρόπολης Λήμνου.