Άγιος Στρατήγιος (325): Συμμετείχε στην Α΄ Οικουμενική Σύνοδο.
Σιλουανός (680): Συμμετείχε στην ΣΤ΄ Οικουμενική Σύνοδο.
Ιωάννης (787): Συμμετείχε στην Ζ΄ Οικουμενική Σύνοδο.
Αρσένιος (879): Συμμετείχε στη συγκληθείσα επί Πατριάρχη Φωτίου Σύνοδο.
Νικόλαος (1028): Σύνεδρος στην επί Πατριάρχη Αλεξίου Σύνοδο το 1028.
Παύλος (1054): Σύνεδρος στην επί Πατριάρχη Μιχαήλ Κηρουλαρίου Σύνοδος (1054).
Ανώνυμος (1066): Αναφέρεται ανώνυμα ως αρχιερέας Λήμνου στην επί Πατριάρχη Ι. Ξιφιλίνου Σύνοδο.
Πενταχθένης (11ος με 12ος αιώνας): Μετατέθηκε εκ της επαρχίας Ρωσιάνων της Σικελίας επί Πατριάρχη Νικολάου Γ΄ του Γραμματικού (1084-1111) κατά τον Γάλλο βυζαντινολόγο R. Janin.
Μιχαήλ (1156): Το 1136 δώρισε την Εκκλησία του Αγίου Βλασίου στους Βενετούς. Το 1156 συμμετείχε σε Σύνοδο επί Πατριάρχη Λουκά Χρυσοβέργη.
Ανώνυμος (1169): Επί Πατριάρχη Λούκα Χρυσοβέργη το 1169 αναφέρεται ως Λήμνου χωρίς όνομα.
Αλέξανδρος (1170)
Κωνσταντίνος (1172)
Βασίλειος Α΄ (1197): Έφερε τον τίτλο του Μητροπολίτη επί Πατριάρχη Γεωργίου Β΄ Ξιφιλίνου (1191-1198).
Ανώνυμος (1313)
Ιάκωβος Α΄ (1321-1331): Λήμνου και Ίμβρου από την τάξη των Μοναχών της Ιεράς Μονής Μαγγάνων.
Ανώνυμος (1365-1380): Επί Πατριάρχη Αντωνίου Δ΄ (1389—1390) ή κατά την β΄ πατριαρχία του (1391-1397).
Ιωσήφ (15ος αιώνας)
Δοσίθεος (πριν από το 1430)
Ιάκωβος Β΄ (1447): Πατριαρχικό έγγραφο αναφέρει «Ὁ Ἀρχιεπίσκοπος τῶν νήσων Λήμνου καὶ Ἴμβρου Ἰάκωβος».
Ιωάσαφ (1500 περίπου)
Μάξιμος (1550)
Παχώμιος (1541)
Νεόφυτος (1565): Συμμετείχε στην Σύνοδο καθαίρεσης του Οικουμενικού Πατριάρχη Ιωάσαφ Β΄ (1556-1565).
Ζαχαρίας Α΄ (1572-1575): Επί α΄ πατριαρχίας του από Λαρίσης Ιερεμίου Β΄ (1572-1579).
Ιωάσαφ Β΄ (1575-1578)
Μητροφάνης Α΄ (1593-1603): Επί Πατριάρχη Ιερεμίου Β΄ (γ΄ πατριαρχία, 1587-1595).
Κωνστάντιος (1604-1605): Επί Πατριάρχη Ραφαήλ Β΄ (1603-1607).
Μητροφάνης Β΄ (1606-): Δεν υπάρχουν πληροφορίες.
Κλήμης Α΄ (1610-1621): Το 1615 υπογράφει πατριαρχικό γράμμα σχετικά με μετόχια του Αγίου Όρους στη Λήμνο. Επί Πατριάρχη Νεοφύτου Β΄ (1607-1612).
Γεράσιμος (1632-1642): Επί β΄ πατριαρχίας Κυρίλλου Α΄ Λουκάρεως (1623-1633).
Μακάριος Α΄ (1637-): 7 Απριλίου 1637. Αναφέρεται ως «πρώην».
Ιγνάτιος (1642-1644): Επί Πατριάρχη Παρθενίου Α΄ του από Ιωαννίνων (1639-1649). Προερχόταν από την Ιερά Μονή Βατοπεδίου του Αγίου Όρους.
Κάλλιστος Β΄ (1644): Ο από Συνάδων.
Παΐσιος (1653): Έφερε τον τίτλο του «προέδρου».
Κλήμης Β΄ (1653-1654): Επί Πατριάρχη Ιωαννικίου Β΄ (1653-1654). Παραιτήθηκε το 1654.
Ιωακείμ Α΄ (1654-1655): Επί Πατριάρχη Παϊσίου Α΄ (1654-1655).
Παρθένιος Α΄ (1655-1661): Επί Πατριάρχη Παϊσίου Α΄ (1654-1655).
Ιωακείμ Β΄ (1661): Από Ιούνιο έως Σεπτέμβριο 1661.
Φιλόθεος (1661): (3 Νοεμβρίου 1661)
Ανώνυμος (1684)
Παρθένιος Β΄ (1697)
Γαλακτίων (1697-1698): Από 27 Σεπτεμβρίου 1697.
Μακάριος Β΄ (1698): Ο από Μελενίκου (από 28 Αυγούστου 1698).
Ιλαρίων (1698): Απεβίωσε το ίδιο έτος της εκλογής του.
Ιωαννίκιος ο Λίνδιος (1707-1733): Παραιτηθείς απεβίωσε ως μοναχός στο Άγιον Όρος.
Διονύσιος Α΄ (18ος αιώνας): Περί τα μέσα του 18ου αιώνα.
Παρθένιος Γ΄ (1746-1756): Επί Πατριάρχη Παϊσίου Β΄ (1744-1748).
Ιερόθεος Α΄ (1756-1764): Από Αύγουστο 1756. Επί Πατριάρχη Κυρίλλου Ε΄ (1752-1757).
Ιερεμίας (1764): Από 1ης Μαΐου 1764. Επί Πατριάρχη Σαμουήλ Χαντζερή (1763-1768).
Ιωακείμ Γ΄ ο εκ Χίου ( - 1770): Το 1770 απαγχονίστηκε από τους Τούρκους.
Ζαχαρίας Β΄ (1771-1776): Συμμετείχε στη Σύνοδο του 1774 στην Ι. Μονή Κουτλουμουσίου του Αγίου Όρους εξ αφορμής του ζητήματος των Κολλυβάδων.
Καλλίνικος Θεολογίτης (1777-1795): 2 Μαρτίου 1777-1795. Μετά την παραίτησή του εμόνασε στο Άγιον Όρος.
Θεόκλητος Τηγανίτης (1795-1814): «Αδελφός» της Ι. Μονής Πάτμου Άγιος Ιωάννης ο Θεολόγος.
Μακάριος Γ΄ Βαμβούρης (1814-1824): Λέσβιος. Μετατέθηκε στη Μητρόπολη Θεσσαλονίκης.
Νεκτάριος Μαμώλης (1824-1836): Λήμνιος
Ιερώνυμος (1836-1839): Λέσβιος
Δανιήλ Αριτζανής (1839-1853): Ο από Θεοδωρουπόλεως.
Ιωακείμ Δ΄ Κεχαγιάς (1853-1888): Ο επονομαζόμενος Βυζάντιος (Κωνσταντινουπολίτης), ο οποίος συνήθως αναγράφεται ως Ιωακείμ Γ΄, ενώ είναι Ιωακείμ Δ΄(κατά την κανονική σειρά).
Κύριλλος Παναγιώτου ή Δημητριάδης (1888-1890): 11 Οκτ. 1888 – 3 Ιαν. 1890. Μετατέθηκε στη Μητρόπολη Αδριανουπόλεως.
Αθανάσιος Καπολάρης (1890-1899): 14 Φεβρ. 1890 – 15 Ιουνίου 1899. Σάμος. Μετατέθηκε στη Μητρόπολη Καστορίας.
Διόδωρος Μάσχας (1899-1905): 15 Ιουνίου 1899 – 1 Οκτ. 1905. Χίος.
Γεννάδιος Αλεξιάδης (1905-1912): 4 Οκτ. 1905 – 8 Ιουνίου 1912. Από την Προύσα της Μικράς Ασίας. Μετατέθηκε στη Μητρόπολη Θεσσαλονίκης.
