Ο οικισμός της Θερμής κτίστηκε γύρω στο 3000 π.Χ. σε μια επίπεδη χερσόνησο στην ανατολική παραλία της Λέσβου, που βρίσκεται σε μία από τις πιο εύφορες περιοχές του νησιού. Η θέση του οικισμού ευνόησε την ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και του θαλάσσιου εμπορίου, που ανέδειξαν τη Θερμή σε ένα από τα πρωιμότερα και σημαντικότερα πρωτοαστικά κέντρα του βόρειου Αιγαίου κατά το πρώτο μισό της 3ης χιλιετίας π.Χ. Η εντατική κατοίκηση της Θερμής οδήγησε σταδιακά στην εξάπλωσή της σε έκταση 1,5 εκταρίου και επέβαλε εξαρχής συγκροτημένο πολεοδομικό σχεδιασμό, προκειμένου να καλυφθούν οι στεγαστικές ανάγκες του διαρκώς αυξανόμενου πληθυσμού. Σε επίχωση πάχους 6 μέτρων περίπου διακρίνονται επτά οικοδομικές φάσεις της Πρώιμης Χαλκοκρατίας (Θερμή I, II, IIIA-IΙIB, ΙVA-IVB και V), που ερευνήθηκαν σε έκταση 3000-6000 τετραγωνικών μέτρων. Λιγοστά είναι τα σωζόμενα λείψανα της Μέσης και της Ύστερης Χαλκοκρατίας, ενώ τμήμα του οικισμού καταστράφηκε από τη θαλάσσια διάβρωση.

Τη βασική οικοδομική μονάδα συνιστά το ορθογώνιο στενόμακρο κτίσμα (μεγαρόσχημο), αποτελούμενο από τον κλειστό, και σπανιότερα ανοιχτό, προς το δρόμο προθάλαμο και από τον κυρίως θάλαμο. Το μήκος του κυμαίνεται από 13-17 και το πλάτος του από 3-4 μέτρα. Παρατάσσονται το ένα δίπλα στο άλλο, με κοινούς τους εξ ολοκλήρου λιθόκτιστους μακρούς τοίχους τους, και σχηματίζουν οικοδομικά τετράγωνα. Στην οικιστική ιστορία της Θερμής διακρίνονται τρεις διαφορετικοί αρχιτεκτονικοί σχεδιασμοί, που ανταποκρίνονται πάντα στον αριθμό των κατοίκων και αποβλέπουν στην καλύτερη δυνατή επικοινωνία των οικοδομικών νησίδων. Στη Θερμή I-IIIB διακρίνεται μία κεντρική κτηριακή ομάδα και άλλες, παραταγμένες ακτινωτά γύρω από το δομημένο κέντρο. Δρόμοι πλάτους μέχρι 2 μέτρα διαχωρίζουν τις κτηριακές ομάδες και οδηγούν από την περιφέρεια προς το κέντρο του οικισμού. Πρόκειται για το κλειστό "περικεντρικό" πολεοδομικό σύστημα, γνωστό σε σύγχρονους με τη Θερμή οικισμούς της δυτικής Μικράς Ασίας (Tροία, Besik-Tepe, Bakla Tepe, Demircihuyuk κ.α.). Στη φάση IIIB το κεντρικό τμήμα του οικισμού προστατεύεται με λίθινο περίβολο πάχους 1-2 μέτρων, ενισχυμένο με 4 τουλάχιστον τραπεζιόσχημους πύργους.

Στη φάση IVA ο οικισμός αναδιοργανώνεται πλήρως και στη φάση IVB περιλαμβάνει τεράστια, ισομεγέθη οικοδομικά τετράγωνα, τα οποία διαχωρίζονται από παράλληλους, εν μέρει πλακόστρωτους δρόμους, πλάτους 2-5 μέτρων. Πρόκειται για το "ορθογωνικό" πολεοδομικό σχήμα, που απαντά για πρώτη φορά στην αρχιτεκτονική του προϊστορικού Αιγαίου, για να αποκτήσει την εξιδανικευμένη του μορφή κατά την ιστορική εποχή στο ιπποδάμειο σύστημα. Στη φάση V, την πολεοδομική μορφή της Θερμής καθορίζει η χάραξη μιας κεντρικής οδικής αρτηρίας (πλάτος 1-2,5 μέτρα), που αποσκοπεί στην καλύτερη επικοινωνία μεταξύ των οικοδομικών τετραγώνων. Το νέο πολεοδομικό σχήμα, που πριν από τη Θερμή εφαρμόστηκε στην Πολιόχνη, ονομάζεται "γραμμικό" και χαρακτηρίζεται από την παρουσία βασικών κοινοτικών (κτήριο Θ1, πλατεία Ν2) και βιοτεχνικών λειτουργιών (συνοικία του μεταλλουργού) στον κεντρικό δρόμο του οικισμού. Στη φάση αυτή ο οικισμός στεγάζει περίπου 1200 άτομα και προστατεύεται από ένα σύνθετο αμυντικό σύστημα, που άρχισε να διαμορφώνεται στη φάση IV. Περιλαμβάνει ένα ισχυρό, εσωτερικό τείχος (πάχος 2 μέτρα, σωζόμενο ύψος 1,5 μέτρο) και δύο, παράλληλους με αυτό, λίθινους περιβόλους. Εγκάρσια τοιχάρια συνδέουν το εσωτερικό τείχος με τον πρώτο εξωτερικό περίβολο, σχηματίζοντας μικρά δωμάτια, κατάλληλα για κατοίκηση και αποθήκευση. Δύο πύλες, ενισχυμένες με προεξέχοντες πύργους, εξυπηρετούν την είσοδο από την ενδοχώρα στο εσωτερικό του οικισμού.

O πολεοδομικός σχεδιασμός και ανασχεδιασμός της Θερμής, η πλακόστρωση των δρόμων, το ξεχωριστό σύστημα οχύρωσης, η παρουσία πολλών αποθηκών σε κάθε νοικοκυριό (πιθάρια, λίθινες πλατφόρμες, αποθηκευτικοί λάκκοι), η ύπαρξη εργαστηρίων μεταλλοτεχνίας (περιοχή E), η αποθησαύριση μπρούντζινων εργαλείων (Θερμή IVB-Potter's pool), χάλκινων και ασημένιων κοσμημάτων και άλλων σπάνιων στο Aιγαίο αντικειμένων (βραχιόλια από μόλυβδο και κασσίτερο στη Θερμή ΙΙΙΑ) επιτρέπουν το χαρακτηρισμό της Θερμής ως πρωτοαστικού κέντρου με εξελιγμένη πολιτική και οικονομική οργάνωση και κοινωνική σύνθεση. O ισχυρός αυτός οικισμός φαίνεται ότι, γύρω στο 2500 π.Χ., δεν άντεξε τον οικονομικό ανταγωνισμό αστικών κέντρων όπως η Πολιόχνη, η Τροία ή το Liman Tepe και εγκαταλείφθηκε. Οι κάτοικοί του θα πρέπει να αναζήτησαν ασφάλεια στο εσωτερικό του νησιού.