Μετά την άλωση της Κωνσταντινουπόλεως έγινε μια πρώτη προσπάθεια κατάληψης της Λέσβου από τους Τούρκους, το 1455, που όμως απέτυχε. Την 1 Σεπτεμβρίου 1462 το νησί πολιορκείται από τον Μωάμεθ Β' και τον στόλο του και η Μυτιλήνη παραδίδεται ύστερα από 14 ημέρες. Μετά την κατάληψη της Μυτιλήνης, οι Τούρκοι την καταστρέφουν και σφάζουν μεγάλο μέρος του πληθυσμού. Οι εναπομείναντες Χριστιανοί μετακινήθηκαν στην ενδοχώρα. Στη Λέσβο γεννιέται επί Τουρκοκρατίας ο Χαϊρεντίν Μπαρμπαρόσα. Κατά τη διάρκεια της Τουρκοκρατίας το νησί δέχτηκε αρκετές επιδρομές από τους Ενετούς, Γάλλους, Ιωαννίτες Ιππότες της Ρόδου και τους Σαρακηνούς και χάνει τη σημαντική θέση που είχε. Κατά τη διάρκεια του Ρωσοτουρκικού πολέμου, το νησί δέχεται επιδρομές από τους Ψαριανούς, οι οποίοι λεηλάτησαν το Πλωμάρι το 1770 και την Πλαγιά το 1773. Η πρώτη επαναστατική κίνηση εναντίον των Τούρκων έγινε το 1817, ενώ το 1821 απέτυχε το επαναστατικό σχέδιο για τη Χίο και τη Μυτιλήνη. Το 1822 έγινε πάλι προσπάθεια να ξεσηκωθεί η Λέσβος αλλά η σφαγή της Χίου οδήγησε στην εγκατάλειψη αυτής της προσπάθειας.