Το Νοσοκομείο αποτελεί ενιαίο κτιριακό συγκρότημα που διαρθρώνεται σε 3 επιμέρους πτέρυγες οι οποίες έχουν οικοδομηθεί σε τρεις διαφορετικές χρονικές περιόδους. Η Α’ πτέρυγα είναι το αρχικό παλαιό Νοσοκομείο της Λήμνου, η Β’ πτέρυγα είναι το μετέπειτα κτίριο στο οποίο στεγάζονται τώρα οι Διοικητικές Υπηρεσίες και η Γ’ πτέρυγα είναι το νέο ολοκληρωμένο κτίριο του Νοσοκομείου.
Τα Τακτικά Εξωτερικά Ιατρεία όλων των κλινικών είναι στο ισόγειο του παλαιού κτιρίου, εκτός αυτού της Χειρουργικής Κλινικής που βρίσκεται στο ισόγειο της νέας πτέρυγας.
Η υποδοχή όλων των περιστατικών, Επειγόντων και μη, βρίσκεται στο Ισόγειο της νέας πτέρυγας του Νοσοκομείου.