Η Πολιόχνη βρίσκεται στο ΝΑ. τμήμα της Λήμνου, στην θέση Βρόσκοπος, όπου και ο ομώνυμος όρμος. Εδώ, κατά μήκος του μυχού του όρμου, επάνω σε επιμήκη γήλοφο, αναπτύσσεται ο προϊστορικός οικισμός. Από τη θέση αυτή εξασφαλίζεται κατόπτευση της ευρύτερης περιοχής, ενώ η άμεση γειτνίαση με την εύφορη πεδιάδα και η παρουσία νερού αποτελούσαν εγγύηση, όχι μόνο για την επιβίωση, αλλά και για την ευημερία των προϊστορικών κατοίκων του χώρου.

Ο οικισμός της Πολιόχνης καλύπτει έκταση 10 στρεμμάτων, δίχως να έχει έρθει στο φως η συνολική του έκταση. Κατοικήθηκε αδιάλειπτα από τα μέσα περίπου της 4ης χιλιετίας       έως και το τέλος της 3ης χιλιετίας π.Χ., ενώ μεμονωμένα ευρήματα υποδεικνύουν επανάχρηση του χώρου έως και το 1200 π.Χ. περίπου.

Οι ανασκαφείς συμβόλισαν τις διαδοχικές οικοδομικές φάσεις του οικισμού με χρώματα. Η αρχική συμβολίστηκε με μελανό. Σε αυτή την φάση (3400/3300-3000/2900 π.Χ.) τα σπίτια ήταν μονόχωρα, κυκλικής κάτοψης, με λιθόκτιστες βάσεις και ανωδομή από φθαρτά υλικά.  Για την περίοδο αυτή δεν είναι γνωστή η πυκνότητα, η διάταξη και άλλα στοιχεία οργάνωσης του οικισμού, εκτός από το ότι ήταν ανοικτός, δίχως περίβολο να τον πλαισιώνει.

Η επόμενη οικοδομική φάση συμβολίστηκε με κυανό χρώμα (3000/2900-2700 π.Χ.) και αντιστοιχεί στην λεγόμενη Πρώιμη Εποχή του Χαλκού Ι. Διακρίνονται δύο κύριες υποφάσεις, αρχαϊκή και προχωρημένη.  Κατά τη διάρκεια της αρχαϊκής κυανής ο οικισμός παραμένει ανοικτός και επεκτείνεται προς τα ΒΔ. και τα ΝΔ. Σε αυτή την οικοδομική φάση αποδίδεται έργο κοινής ωφέλειας και πρώιμο επίτευγμα της μηχανικής, ένα πηγάδι, αλλά και μικρός λιθόκτιστος αγωγός, επίσης έργο δημόσιου χαρακτήρα. Οι κατοικίες της περιόδου αυτής φαίνεται να έχουν τετράπλευρη κάτοψη, ενώ οι τοίχοι είναι λιθόκτιστοι ως το ύψος της στέγης. Αιτία της καταστροφής αυτής της περιόδου φαίνεται να είναι μια εκτεταμένη πυρκαγιά.

Στην προχωρημένη φάση της κυανής εντοπίζονται καινοτομίες και πρωτοαστικά χαρακτηριστικά: έργα συλλογικά, που προϋποθέτουν οργάνωση, κεντρικό σχεδιασμό και συλλογική εκτέλεση, ανάθεση και καταμερισμό εργασιών, τεχνογνωσία και εξειδίκευση στους τομείς υλοποίησης, ενώ οι ιδιωτικοί χώροι παρουσιάζουν μια τάση τυποποίησης και επανάληψης. Κατασκευασμένοι με βάση συγκεκριμένα αρχιτεκτονικά πρότυπα, εντάσσονται σε ένα, ίσως ενιαίο αρχιτεκτονικό πρόγραμμα που αφορά στον εκ βάθρων πολεοδομικό σχεδιασμό του πολίσματος, αποτελώντας το πρωιμότερο δείγμα γραμμικής πολεοδομικής διάταξης στο Αιγαίο. Στα έργα δημόσιου χαρακτήρα συγκαταλέγεται ο περίβολος που περικλείει πλέον την πόλη. Η οριοθέτηση του οικισμού με περίβολο τον μετασχηματίζει σε οικισμό κλειστού τύπου. Αυτή η μετατροπή επιδρά και στη γενικότερη αντίληψη διαχείρισης του διαθέσιμου χώρου και αποτελεί τομή καθοριστικής σημασίας για την πολεοδομική εξέλιξη του πολίσματος. Στα έργα δημόσιου χαρακτήρα συγκαταλέγονται εντυπωσιακά τεχνικά έργα αναλημματικού χαρακτήρα (λιθόκτιστα κιβώτια) που επιτελούσαν και άλλες λειτουργίες. Μεταξύ αυτών, οι μεγάλοι τετράπλευροι χώροι ενίσχυσης του πρανούς, όπως οι χώροι 14 και 28, που ταυτίστηκαν με Βουλευτήριο και κοινοτική Σιταποθήκη. Στην ιδιωτική αρχιτεκτονική πιστοποιείται ο τύπος του μεγάρου, ο οποίος αποκρυσταλλώνεται και φτάνει στο απόγειο του στις επόμενες περιόδους.

Την κυανή φάση διαδέχτηκε ομαλά η πράσινη  (2700-2500 π.Χ.). Θεωρείται περίοδος ακμής με τον πληθυσμό να εκτιμάται στα 1500 άτομα και τον οικισμό να επεκτείνεται με την κατασκευή αναλληματικών τοίχων. Στην κεντρική είσοδο του οικισμού διαμορφώνεται πρόπυλο με δύο τετράγωνους πύργους και εντός του οικισμού διαμορφώνονται πλέον με σαφήνεια οικοδομικά τετράγωνα, που περιβάλλονται από οδούς. Μαζί με τη σύγχρονή της Θερμή στη Λέσβο, η Πολιόχνη αποτελεί το πρωιμότερο δείγμα οργάνωσης οικισμού σε οικοδομικά τετράγωνα, καθένα από τα οποία περιλαμβάνει ένα έως περισσότερα ανεξάρτητα μεταξύ τους κτήρια.  Κάθε κτήριο διατηρεί αυλή, συχνά κοινή με τα όμορά του, τον κύριο χώρο διαβίωσης (μέγαρο) και βοηθητικούς χώρους αποθήκευσης και τροφοπαρασκευής. Ανάμεσα στα κτήρια κάθε νησίδας, στενά δρομάκια διευκόλυναν την κυκλοφορία, ενώ αγωγοί αποστράγγισης απομάκρυναν τα νερά από τις στέγες.

Στις δυο επόμενες περιόδους, την ερυθρή (2500-2200 π.Χ.), που αντιστοιχεί και την κίτρινη (2200-1900 π.Χ.) ο περίβολος επισκευάζεται και ενισχύεται με επιπλέον προμαχώνες, οι κεντρικοί δρόμοι πλακοστρώνονται, τα κοινοτικά κτήρια και οι κοινόχρηστες κατασκευές παραμένουν σε λειτουργία.  Το πολεοδομικό σύστημα δεν μεταβάλλεται, αλλά εντοπίζονται διαφορές στην κατασκευαστική τεχνολογία και τον προσανατολισμό των κτηρίων. Ειδικά κατά την κίτρινη περίοδο, κατά την οποία ανοικοδομείται η πόλη μετά από πυρκαγιά, η δόμηση είναι αμελέστερη. Οι αρχιτεκτονικές μορφές είναι τυποποιημένες και η επέκταση των ιδιωτικών κτηρίων γίνεται σε βάρος του δημόσιου χώρου. Βασική μονάδα κάθε κτηρίου παραμένει το μέγαρο, πλαισιωμένο από λοιπούς βοηθητικούς χώρους.  Το τέλος της κίτρινης φάσης και την εγκατάλειψη στην Πολιόχνη σηματοδοτεί ένας καταστρεπτικός σεισμός περίπου στο 2000 π.Χ. Μετά από αυτόν ο οικισμός ποτέ δεν αναβίωσε στην έκταση των προηγούμενων ετών.