Το 1724, στη Μύρινα της Λήμνου, έγινε η ανέγερση του μητροπολιτικού ναού, αφιερωμένου στην Παναγία, με έξοδα και αγώνα του τότε μητροπολίτη Λήμνου, Ιωαννίκιου. Τριακόσια χρόνια μετά, στο ίδιο σημείο, στέκει ο Ιερός Ναός της Αγίας Τριάδος, που ξεχωρίζει χάρη στη μνημειώδη του αρχιτεκτονική. Οι δύο ναοί συμπληρώνουν τη μακραίωνη ιστορία της τοποθεσίας, καθώς η έδρα της Μητροπόλεως είχε μεταφερθεί εκεί ήδη από τον 15ο αιώνα, μετά την πτώση του Κότσινα και την Οθωμανική κατάκτηση του νησιού.
Ο ναός του Μητροπολίτη Ιωαννικίου δεν έμελλε να έχει μακροχρόνια παρουσία στη θρησκευτική ζωή της Μύρινας, καθώς 46 χρόνια μετά την ανέγερση του ναού, και ως επακόλουθο της αποτυχημένης πολιορκίας του Κάστρου κατά τη διάρκεια των «Ορλωφικών», ο ιερός ναός υπέστη ολοκληρωτική καταστροφή, ως μέρος των αντιποίνων που επιβλήθηκαν στους εξεγερμένους. Κοντά στον ιερό ναό θανατώθηκε και ο τότε μητροπολίτης Ιωακείμ Γ’, μαζί με 300 πρόκριτους, ως φόρος αίματος για την αποτυχημένη εξέγερση.
Για περίπου 60 χρόνια, μέχρι το 1835, δεν έγιναν ενέργειες για να επιστρέψει ο ναός στην προ των «Ορλωφικών» του μορφή. Μέχρι το 1858, οι προσπάθειες που έλαβαν χώρα ήταν αργόσυρτες και κυρίως αποσκοπούσαν στη συντήρηση του εναπομείναντος ναού, και όχι στην ριζική ανοικοδόμηση του. Μετά το Οθωμανικό διάταγμα του Χάτι Χουμαγιούν, ωστόσο, άνοιξε ο δρόμος για την εξ’ ολοκλήρου ανέγερση ενός νέου, πολύ πιο μεγαλοπρεπούς ιερού ναού.
Το 1861 πραγματοποιήθηκε συνέλευση προκρίτων για τη συγκέντρωση χρημάτων που προορίζονταν για τον Μητροπολιτικό Ναό της Αγίας Τριάδος. Μέρους του ποσού προήλθε και από το κτήμα της Μητροπόλεως, το οποίο είχε υποστηρίξει (και θα υποστήριζε στο μέλλον) πλήθος κοινωφελών έργων στο νησί, ενώ το μεγαλύτερο ποσό προσέφεραν οι απόδημοι Λημνιοί της Αιγύπτου και της Ευρώπης. Με απόφαση της συνέλευσης γκρεμίστηκε εξ ολοκλήρου ο ναός που προϋπήρχε, και ανατέθηκε στον αρχιτέκτονα Ζαχαρία Φιλιππότη η ανέγερση του νέου ναού. Το 1865 φθάνει στη Λήμνο το φιρμάνι που επιτρέπει την έναρξη των εργασιών.
Όπως και ο ναός του 1724, ο Ιερός Ναός της Αγίας Τριάδος ανήκει στο πρότυπο της τρίκλιτης βασιλικής με τρούλο και καμπαναριά, τα οποία προστέθηκαν το 1910. Παράλληλα με τον μνημειακό χαρακτήρα της αρχιτεκτονικής του, ο ναός διαθέτει και ένα μοναδικό τέμπλο, το οποίο μεταφέρθηκε στην Αγία Τριάδα από τον παλαιότερο ναό του Αγίου Νικολάου. Μαζί με το τέμπλο, ο ναός διαθέτει μεγάλο εικονογραφικό και διακοσμητικό πλούτο, και παραμένει το θρησκευτικό κέντρο του νησιού. Ταυτόχρονα με τη μεγάλη θρησκευτική του σημασία, η Μητρόπολη της Λήμνου έχει επανειλημμένα διαδραματίσει πρωταγωνιστικό ρόλο στην οικονομική και πνευματική ανάπτυξη του νησιού.
