Η άλωση της Λέσβου από τους Οθωμανούς Τούρκους πραγματοποιήθηκε το Σεπτέμβριο του 1462. Η οθωμανική αυτοκρατορία, υπό τον σουλτάνο Μωάμεθ Β, πολιόρκησε και κατέλαβε την πρωτεύουσα του νησιού, Μυτιλήνη. Μετά την παράδοσή της, παραδόθηκαν και τα άλλα κάστρα του νησιού. Το γεγονός τερμάτισε την ημι-αυτόνομη Γενουάτικη κυριαρχία που ο οίκος των Γκατιλλούσιο είχε εγκαταστήσει στο βορειοανατολικό Αιγαίο από τα μέσα του 14ου αιώνα κι επιτάχυνε την έναρξη του πρώτου οθωμανικού-βενετσιάνικου πολέμου το επόμενο έτος.
Στα μέσα του 14ου αιώνα, η γενοβέζικη οικογένεια Γκατιλλούζιο ασκούσε αυτόνομη κυριαρχία υπό τη βυζαντινή επικυριαρχία στη Λέσβο. Μέχρι το 1453, οι κτήσεις των Γκατιλλούσιο είχαν πια επεκταθεί στα περισσότερα νησιά του βορειοανατολικού Αιγαίου, όπως η Λήμνος κι η Θάσος. Μετά την Άλωση της Κωνσταντινούπολης το 1453 όμως, ο Μωάμεθ Β’ άρχισε να αφαιρεί μια μια τις κτήσεις των Γκατιλλούσιο. Ως το τέλος του 1456, μόνο η Λέσβος είχε μείνει στα χέρια τους, με αντάλλαγμα ένα ετήσιο φόρο υποτέλειας στο σουλτάνο. Το 1458 ο Νικολό Γκαττιλούζιο άρπαξε με τη βία την εξουσία του νησιού από τον αδελφό του και άρχισε να προετοιμάζεται για ενδεχόμενη οθωμανική επίθεση. Παρά τις εκκλήσεις του, ωστόσο, δεν έφτασε καμμία βοήθεια από άλλες δυτικές δυνάμεις.
Ο Μωάμεθ Β’ ξεκίνησε την εκστρατεία του εναντίον της Λέσβου τον Αύγουστο του 1462. Ένας λογαριασμός Ιωαννιτών Ιπποτών της εποχής, γραμμένος λίγες εβδομάδες αργότερα, τοποθετεί τη δύναμη του στρατού του σε 40.000 άνδρες. Ο στρατός συνοδευόταν από ισχυρό στόλο, με επικεφαλής τον Μαχμούντ Πασά.
Ο Δούκας τοποθετεί τους υπερασπιστές στους 5.000, ενώ ο Αρχιεπίσκοπος Μπενεντέτο γράφει ότι παρόντες ήταν μόνο 1.000, μεταξύ των οποίων 70 Ιωαννίτες Ιππότες και 110 Καταλανοί μισθοφόροι. Σύμφωνα με τον Δούκα, η πόλη της Μυτιλήνης είχε άμαχο πληθυσμό περίπου 20.000 κατοίκων. Οι υπερασπιστές επιπλέον ήλπιζαν στη βοήθεια των Βενετών. Ένας βενετσιάνικος στόλος υπό το ναύαρχο Βέτορε Καπέλο ήταν στη Χίο, αλλά ο διοικητής του είχε αυστηρές οδηγίες να μην κάνει τίποτα που θα μπορούσε να προκαλέσει πόλεμο με τους Οθωμανούς. Μετά την πολιορκία, ο Καπέλο με τα 29 πλοία του ταξίδεψε προς τη Λέσβο και θα μπορούσε εύκολα να επιτεθεί στον τουρκικό στόλο, του οποίου τα πληρώματα είχαν κατέβει στην ξηρά για να βοηθήσουν στην πολιορκία, αλλά επέλεξε να μην το κάνει.
Την 1η Σεπτεμβρίου 1462, ο στόλος υπό το Μαχμούντ Πασά έφθασε στο νησί, ελλιμενιζόμενος στο λιμανάκι του Αγίου Γεωργίου. Ο Νικολό έστειλε πρέσβεις να μάθει το λόγο άφιξής τους, αφού είχε τηρήσει την καταβολή του φόρου υποτέλειας. Ο Μαχμούντ Πασάς απάντησε απαιτώντας την παράδοση της Μυτιλήνης και ολόκληρου του νησιού. Ο Νικολό όμως αρνήθηκε και προσθεσε ότι μόνο με τα όπλα θα υποκύψει.
Ο Οθωμανός ναύαρχος αποβίβασε επιδρομείς, οι οποίοι λεηλάτησαν χωριά, αλλά βρήκαν μόνο λίγους Λέσβιους, καθώς οι περισσότεροι είχαν ήδη καταφύγει στα κάστρα του νησιού. Μετά από τέσσερις ημέρες, έφτασαν έξι μεγάλα κανόνια, καθένα από τα οποία μπορούσε να ρίξει βράχους βάρους πάνω από 320 κιλά. Τεράστιες πέτρες είχαν τοποθετηθεί μπροστά στα κανόνια για να τα προστατεύσουν από τις μικρότερες που εκτόξευαν οι πολιορκημένοι. Ο βομβαρδισμός διήρκεσε δέκα ημέρες και προκάλεσε μεγάλες ζημιές στα τείχη.
Οι Οθωμανοί συγκέντρωσαν τις προσπάθειές τους στο κατώτερο κάστρο, γνωστό ως Μελανούδι που υπερασπιζόταν ο εξάδελφος του Νικολό, ο Λουτσίνο Γκαττιλούζιο. Οι πιο έμπειροι αξιωματικοί του πρότειναν να τον πυρπολήσουν και να τον εγκαταλείψουν, για να μην τον καταλάβουν οι Τούρκοι και τον χρησιμοποιήσουν για να πάρουν όλο το κάστρο. Ο Λουτσίνο όμως επέμενε ότι μπορούσε να κρατήσει τη θέση. Πραγματικά κράτησε για πέντε ημέρες ενάντια σε επανειλημμένες οθωμανικές επιθέσεις, αν και οι Τούρκοι κατάφεραν να αναρριχηθούν στους τοίχους και να πάρουν μια αραγονική σημαία ως τρόπαιο. Την επόμενη μέρα όμως, μια μαζική επίθεση από 20.000 Οθωμανούς έκαμψε τους πολιορκημένους και τους οδήγησε στην ακρόπολη ως τελευταίο καταφύγιο. Ο ίδιος ο Λουτσίνο μετα βίας γλίτωσε με το σπαθί στο χέρι. Η ζωντανή περιγραφή του για την οθωμανική δύναμη τρομοκράτησε το λαό που είχε καταφύγει στην ακρόπολη.
Ο πανικός τους αυξήθηκε από την πυρκαγιά που προκάλεσε ένα τεράστιο ολμοβόλο, που κατέστρεψε ολόκληρα σπίτια κι έκαψε εκείνους που έμειναν σε αυτά διώχνοντας τους υπερασπιστές από τα τείχη και προκαλώντας τεράστιες ζημιές. Όταν οι Γενίτσαροι έφτασαν εκεί, βρήκαν μικρή αντίσταση. Όπως παρατήρησε ο ιστορικός William Miller, “αν και καλά εφοδιασμένος με τρόφιμα και μηχανές πολέμου, ο τόπος δεν είχε έναν γενναίο και πεπειραμένο στρατιώτη που θα ενέπνεε την φρουρά με ενθουσιασμό” και μετά από ένα συμβούλιο αποφασίστηκε να παραδοθεί στον Σουλτάνο, αρκεί να γίνουν σεβαστές η ζωή και οι περιουσίες τους.
Ο Μαχμούντ Πασάς συνέταξε ένα έγγραφο με τους όρους της παράδοσης και ορκίστηκε στο σπαθί του και στο κεφάλι του σουλτάνου ότι οι ζωές τους θα ήταν ασφαλείς. Ο Νικολό ζήτησε επίσης να του δοθεί, ως ανταμοιβή, ένα κτήμα ισοδύναμης αξίας. Μαθαίνοντας την παράδοση, ο Μωάμεθ έφτασε και πάλι στο νησί, όπου παρέμεινε για τέσσερις ημέρες. Συνοδευόμενος από τους επισκόπους της Μυτιλήνης, ο Νικολό παρέδωσε τα κλειδιά του φρουρίου στον σουλτάνο και παρακάλεσε για συγχώρεση. Ο Μωάμεθ δέχτηκε, αφού του έδωσε εντολή να διατάξει την άμεση παράδοση και των άλλων οχυρών στο νησί. Ο Νικολό συμμορφώθηκε κι έστειλε γράμμα με τη σφραγίδα του στα κάστρα, προτρέποντας τις φρουρές να παραδοθούν. Η φρουρά των Αγίων Θεοδώρων έστειλε πρέσβεις στον Βενετό Καπέλο για να παραδώσουν το φρούριο στη Βενετία, αλλά αυτός αρνήθηκε, έτσι όλο το νησί παραδόθηκε στους Τούρκους. Ο Μωάμεθ επέτρεψε στα στρατεύματά του να γιορτάσουν τη νίκη τους με ένα μεθυστικό πανηγύρι, κατα το οποίο έκαψαν τα υπόλοιπα σπίτια της πόλης, κι εγκατέστησε φρουρά 200 γενιτσάρων και 300 ατακτων πεζών (αζάπες ) στη Μυτιλήνη με κυβερνήτη τον Πέρση σεΐχη Ali al-Bistami.
Αν και οι ζωές όλων των κατοίκων του νησιού γλίτωσαν, περίπου 300 ιταλοί στρατιώτες εκτελέστηκαν ως πειρατές κόβοντας τους στα δυο – ο σουλτάνος έτσι τίμησε την υπόσχεση του Μαχμούντ Πασά να μην «πειράξει το κεφάλι» τους. Ο άμαχος πληθυσμός δεν πειράχτηκε στην αρχή, αλλά στις 17 Σεπτεμβρίου οι κάτοικοι της Μυτιλήνης διατάχτηκαν να κάνουν παρέλαση μπροστά στον σουλτάνο, ενώ τρεις υπάλληλοί του κατέγραφαν τα ονόματά τους: επιλέχθηκαν περίπου 800 αγόρια και κορίτσια για το χαρέμι του σουλτάνου, ενώ ο υπόλοιπος πληθυσμός χωρίστηκε στα τρία: οι ασθενέστεροι και πιο ηλικιωμένοι μπορούσαν να μείνουν στα σπίτια τους, οι δυνατοί και υγιέστεροι πωλούνταν σε δημοπρασία ως σκλάβοι στους γενίτσαρους και το τρίτο τμήμα, με τους ευγενείς, αποστέλλονταν ως έποικοι στην αραιοκατοικημένη Κωνσταντινούπολη. Συνολικά, περίπου 10.000 κάτοικοι του νησιού ξεριζώθηκαν βίαια από τα σπίτια τους, μερικοί από τους οποίους έχασαν τη ζωή τους στα υπερφορτωμένα πλοία που τους μετέφεραν στην Κωνσταντινούπολη και στα σκλαβοπάζαρα. Ο ίδιος ο Νικολό Γκαττιλούζιο μεταφέρθηκε στην Κωνσταντινούπολη μαζί με τον ξάδερφό του Λουτσίνο. Ασπάστηκαν το Ισλάμ σε μια προσπάθεια να σώσουν τη ζωή τους, αλλά σύντομα στραγγαλίστηκαν κατ’ εντολή του Μωάμεθ.
Όταν ξέσπασε ο πρώτος Βενετοτουρκικός πόλεμος το 1463, οι πρώην κτήσεις των Γκαττιλούζιο κι η Λέσβος ήταν από τους στόχους για τους χριστιανικούς στόλους. Ωστόσο, αν και οι Βενετοί κατέλαβαν τη Λήμνο το 1464, κι έπειτα την Ίμβρο, την Τενέδο και τη Σαμοθράκη, αυτές οι κατακτήσεις αποδείχθηκαν εφήμερες, καθώς είτε ανακαταλήφθηκαν από τους Τούρκους είτε εγκαταλείφθηκαν στο τέλος του πολέμου. Τον Απρίλιο του 1464, οι Βενετοί υπό τον Ορσάτο Τζουστινιάνο πολιόρκησαν τη Μυτιλήνη, αλλά αναγκάστηκαν να αποσυρθούν μετά από έξι εβδομάδες άκαρπων επιθέσεων, παίρνοντας όσο περισσότερους χριστιανούςμαζί τους. Το νησί παρέμεινε υπό οθωμανική κυριαρχία για τεσσερισήμισυ αιώνες, μέχρι να το πάρει πίσω το Βασίλειο της Ελλάδος στις 8 Νοεμβρίου 1912, κατά τη διάρκεια του πρώτου βαλκανικού πολέμου.