Η τυχαία εύρεση της ενεπίγραφης, επιτύμβιας στήλης πολεμιστή του 510 π.Χ. στο χωριό Καμίνια της ν. Λήμνου στάθηκε αφορμή για την έναρξη της έρευνας στην ευρύτερη περιοχή. Ο τότε διευθυντής της Ιταλικής Αρχαιολογικής Σχολής στην Αθήνα, Alessandro Della Seta, με αφορμή τις γλωσσικές ομοιότητες που αυτή η στήλη έφερε με τις ετρουσκικές επιγραφές, άρχισε εκτεταμένες έρευνες στη Λήμνο. Καρπός των ερευνών αυτών, μεταξύ άλλων, υπήρξε ο προϊστορικός οικισμός της Πολιόχνης, που ανασκάφτηκε από το καλοκαίρι του 1930 έως το 1936.

Στη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου η Πολιόχνη γίνεται ναρκοπέδιο των Γερμανών, και τα κινητά ευρήματα από τη θέση, διάσπαρτα σε Αθήνα, Μυτιλήνη και Λήμνο, μετατρέπονται σε άμορφο σωρό.

Το 1950, η Ιταλική Αρχαιολογική Σχολή στην Αθήνα (ΙΑΣΑ) επιστρέφει στην Πολιόχνη με διευθυντή τον Doro Levi, ο οποίος αναθέτει στον Luigi Bernabò- Brea, το τιτάνιο έργο της αρχαιολογικής δημοσίευσης της θέσης. Ο  L. Bernabò-Brea κατορθώνει σε μία δεκαετία (1951-1961) να βάλει τάξη σε ανασκαφικά ημερολόγια και φωτογραφίες, να ανασυστήσει τη στρωματογραφική ακολουθία των ευρημάτων, να προβεί σε νέες ανασκαφικές έρευνες και να εκδώσει στα ιταλικά το 1964 τον πρώτο τόμο για τα πορίσματα της έρευνας (Poliochni I) και το 1976 τον επόμενο (Poliochni II).

Έκτοτε η προϊστορική Πολιόχνη εγκαταλείπεται, έως το 1986, οπότε και αρχίζει για πρώτη φορά ένα συλλογικό και συστηματικό πρόγραμμα επεμβάσεων σωστικού χαρακτήρα στα πολύπαθα κατάλοιπα του οικισμού. Με συντονισμένες προσπάθειες του ελληνικού Υπουργείου Πολιτισμού, της αρμόδιας Εφορείας Αρχαιοτήτων (τότε Κ΄ ΕΠΚΑ) και της ΙΑΣΑ τίθεται σε εφαρμογή ένα πολυετές πρόγραμμα αναστηλώσεων και αποκαταστάσεων στην προϊστορική Πολιόχνη.

Το 1994, ενόψει της υπογραφής της Διακήρυξης της Πολιόχνης από προσωπικότητες της πολιτικής, της διανόησης, της επιστήμης και της τέχνης, πραγματοποιούνται αποκαταστάσεις σε μεγάλο τμήμα του οικισμού. Τότε κατασκευάζονται και οι απαραίτητες κτιριακές υποδομές για να οργανωθεί ο χώρος σε επισκέψιμο.

Οι εργασίες αυτού του προγράμματος ολοκληρώθηκαν το 1997, παραλείποντας, ωστόσο, μεγάλο μέρος του οικισμού στην κατάσταση που αφέθηκε ήδη από τις ανασκαφές του Della Seta.

Το 2015, με στόχο την προστασία του πολύπαθου μνημείου και την ολοκληρωμένη πλέον αποκατάσταση της προϊστορικής Πολιόχνης, η Εφορεία Αρχαιοτήτων Λέσβου συνέταξε σχέδιο-πλαίσιο συντήρησης και ανάδειξης του αρχαιολογικού χώρου, το οποίο και εγκρίθηκε το ίδιο έτος από τις συναρμόδιες κεντρικές Υπηρεσίες του Υπουργείου Πολιτισμού και Αθλητισμού (Διεύθυνση Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων, Διεύθυνση Αναστήλωσης Αρχαίων Μνημείων, Διεύθυνση Συντήρησης).

Με αφορμή την έναρξη του νέου Επιχειρησιακού Προγράμματος για το Βόρειο Αιγαίο 2014-2020, τον Ιούλιο του 2016 εντάχθηκε από την Περιφέρεια Βορείου Αιγαίου η πράξη «Αποκατάσταση, συντήρηση και ανάδειξη αρχαιολογικού χώρου Πολιόχνης Λήμνου» με αυτεπιστασία από την Εφορεία Αρχαιοτήτων Λέσβου και τον Οκτώβριο του ίδιου έτους ξεκίνησαν οι εργασίες στο πεδίο.