Prehistoria Wykopaliska archeologiczne wskazują, że wyspa była zamieszkana co najmniej od czasu neolitu. Podczas epoki brązu cywilizacja na wyspie była zaawansowana. Wykopaliska prowadzone w latach trzydziestych XX w. przez Winifreda Lamba odsłoniły małe miasta. Badania wykazały, że cywilizacja na Lesbos rozwijała się podobnie do trojańskiej i mykeńskiej; bliskość Troi umożliwiała wpływ kultury z tej wyspy. W roku 1507 p.n.e. Lesbos została skolonizowana przez Pelazgów, a w latach 1393–1184 rządzili na niej Achajowie. W latach 1100–1000 wyspę zamieszkiwali Eolowie, którzy wykształcili język i kulturę wyspy. Mieszkańcy Lesbos prowadzili kolonizację na wybrzeżach Azji Mniejszej. Ich morskie podboje doprowadzały do konfliktów z Atenami.
Starożytność thumb|left|Akwedukt z czasów rzymskich Na Lesbos, prawdopodobnie w Mitylenie lub Eresos, urodziła się Safona. Po podbiciu państwa Lidia przez Persów w r. 456 p.n.e., przejęli oni również władzę nad wyspą Lesbos. Wyspa brała również udział w kampanii przeciw Egiptowi w r. 527 p.n.e. i w r. 513 przeciwko Scytom. W r. 499 Lesbos przyłączyła się do powstania jońskiego przeciwko Persom i w r. 492 została przejęta przez Persów. Po bitwie pod Mykale wydostała się spod panowania perskiego. Wkład w rozwój wyspy ma Arystoteles.