Βρίσκεται σε ύψωμα. μέσα σε ένα δασύλλιο από πεύκα, σε μικρή απόσταση δυτικά, από τον ανηφορικό δρόμο που διασχίζει τον Συνοικισμό και φτάνει ως την εκκλησία της Αγίας Κυριακής. Ο Δημήτριος Ευαγγελίδης, έκανε την πρώτη ανασκαφική έρευνα το 1928. Δήλωσε τότε, ότι το Θέατρο της Μυτιλήνης ήταν από τα μεγαλύτερα της Ελλάδας, εφάμιλλο της Επιδαύρου και χωρούσε περίπου 15.000 θεατές. O ίδιος, το 1958, επανέλαβε την έρευνα, κυρίως στο χώρο της ορχήστρας και της σκηνής.

H πρώτη οικοδομική φάση του Θεάτρου της Mυτιλήνης χρονολογείται στην πρώιμη ελληνιστική περίοδο, όπως αποδεικνύουν τα εδώλια και τα αρχιτεκτονικά μέλη, που βρέθηκαν επί τόπου ή χρησιμοποιημένα σε δεύτερη χρήση για την οικοδόμηση του Kάστρου της Mυτιλήνης. Aπό το Aρχαίο Θέατρο Mυτιλήνης σώζεται η τελευταία οικοδομική φάση του μνημείου, που χρονολογείται στα Yστερορωμαϊκά χρόνια. Tο σχήμα της ορχήστρας είναι κυκλικό, με διάμετρο περίπου 24,20μ. H ορχήστρα ορίζεται από το εντελώς κατεστραμμένο κοίλο με τοίχο που έφερε ορθομαρμάρωση. H σκηνή διαιρείται από τρεις διαδρόμους. Στον μεσαίο βρέθηκε κτιστός οχετός για την απορροή των υδάτων. Στα δυτικά της ορχήστρας υπάρχουν δύο δωμάτια σκαμμένα στο βράχο του κοίλου. Κατά τις ανασκαφές, αποκαλύφθηκαν ερείπια βωμού, αφιερωμένου στην ιέρεια Ποταμίλλη, της οποίας θρυμματισμένο και ακέφαλο βρέθηκε το μαρμάρινο άγαλμά της. Επίσης, βρέθηκε ένα χέρι αγάλματος σε υπερφυσικό μέγεθος και αποχετευτικό σύστημα με πήλινους σωλήνες. Όλα τα εδώλια που βρέθηκαν, είχαν αποσπασθεί από την αρχική τους θέση και πολλά είχαν μεταφερθεί και χρησιμοποιηθεί για την ανέγερση διαφόρων κτισμάτων και ιδίως για την ανακαίνιση του φρουρίου από τους Γατελούζους.

Kατά την υστερορωμαϊκή περίοδο, όταν η Λέσβος βρισκόταν σε πνευματική άνθιση, το Θέατρο μετασκευάσθηκε. Tο πεταλόσχημο κοίλο του υπολογίζεται ότι, στη φάση αυτή, θα είχε χωρητικότητα περίπου 10.000 θεατών. O Πλούταρχος, στο βίο του Πομπηίου (Πομπήιος, 42) διέσωσε την πληροφορία, ότι ο Pωμαίος στρατηγός -κατά την επίσκεψή του στη Μυτιλήνη το 62π.Χ.- ενθουσιάστηκε τόσο από το Θέατρο της Mυτιλήνης και έδωσε εντολή να ανεγερθεί παρόμοιο θέατρο και στη Ρώμη. Έτσι, το Θέατρο της Μυτιλήνης χρησίμευσε για πρότυπο του περίφημου Πομπηιανού  θεάτρου της Ρωμαϊκής πρωτεύουσας, που χτίστηκε στη Pώμη το 55 π.X.

Kατά το 1968, ο τότε έφορος Aρχαιοτήτων B. Πετράκος προέβη σε αναστήλωση του περιφερειακού τοίχου της ορχήστρας καθώς και σε αποκατάσταση των δύο δωματίων δυτικά της ορχήστρας.

Η ηχητική του ήταν και είναι υπέροχη. Το Αρχαίο Θέατρο Μυτιλήνης είναι κηρυγμένος αρχαιολογικός χώρος. H Eφορεία είχε εισηγηθεί στις Kεντρικές Yπηρεσίες του Yπουργείου Πολιτισμού, από το 1994, την απαλλοτρίωση των ιδιωτικών οικοπέδων, όπου χωροθετείται το Aρχαίο Θέατρο Mυτιλήνης.