Ο ελληνικός στόλος, με το Nαύαρχο Παύλο Κουντουριώτη επικεφαλής, ξεκίνησε από τον κόλπο του Μούδρου το βράδυ της 7ης Νοεμβρίου και αγκυροβόλησε τα ξημερώματα της 8ης Νοεμβρίου 1912 έξω απ’ το λιμάνι της Μυτιλήνης. Ανάμεσα στα ελληνικά πλοία ξεχώριζε με την επιβλητικότητά του η ναυαρχίδα του στόλου, το θωρηκτό «Γ. Αβέρωφ», για τη ναυπήγηση του οποίου είχαν συμβάλλει με μεγάλα χρηματικά ποσά ο εθνικός ευεργέτης Γεώργιος Αβέρωφ, αλλά και χιλιάδες Ελλήνων του εσωτερικού και του εξωτερικού, αγοράζοντας τα λεγόμενα λαχεία του στόλου, που είχε εκδώσει το ελληνικό Δημόσιο για την ενίσχυση του στόλου. Μετά την επίδοση του τελεσιγράφου του Κουντουριώτη προς τις οθωμανικές αρχές του νησιού, με το οποίο ζητούνταν η άμεση παράδοση της πόλης, πραγματοποιήθηκε σύσκεψη μεταξύ των οθωμανικών αρχών, των χριστιανών και μουσουλμάνων προυχόντων της Μυτιλήνης. Στη σύσκεψη αυτή, αποφασίστηκε να αποχωρήσουν οι ολιγάριθμες οθωμανικές ένοπλες δυνάμεις στο εσωτερικό του νησιού και να γίνει αναίμακτα η κατάληψη της Μυτιλήνης, προκειμένου να αποφευχθεί η άσκοπη αιματοχυσία του άοπλου πληθυσμού, του χριστιανικού και του μουσουλμανικού.
Η αποβίβαση των Ελλήνων πεζοναυτών και ναυτών άρχισε στις 12.30 το μεσημέρι, κάτω απ’ τα ξέφρενα πανηγύρια του κόσμου και έγινε στη λεγόμενη Πετρόσκαλα, που βρισκόταν στη θέση του σημερινού Τελωνείου. Μετά την παράδοση των οθωμανικών αρχών, όλη η πόλη σημαιοστολίστηκε. Στο μητροπολιτικό ναό του Αγίου Αθανασίου πραγματοποιήθηκε δοξολογία, στην οποία χοροστάτησε ο Μητροπολίτης Μυτιλήνης Κύριλλος, ο οποίος μαζί με το σύνολο των παρευρισκομένων έψαλε το «Χριστός Ανέστη».
Αμέσως, με ανακοίνωσή τους οι ελληνικές αρχές κήρυξαν την ένωση του νησιού με την Ελλάδα και διακήρυξαν την ισονομία και την ισοπολιτεία για όλους τους κατοίκους, χριστιανούς και μουσουλμάνους.
Από τα πρώτα μέτρα της ελληνικής διοίκησης ήταν η έκδοση αναμνηστικής σειράς γραμματοσήμων. Η έκδοση πραγματοποιήθηκε με την επισήμανση των κατασχεθέντων στο ταχυδρομείο οθωμανικών γραμματοσήμων με τη φράση: « Ελληνική Κατοχή Μυτιλήνης». Η λέξη «κατοχή» σηματοδοτούσε την προσωρινότητα της ενσωμάτωσης του νησιού στην Ελλάδα, αφού η διεθνής συνθήκη, με την οποία επικυρώθηκε οριστικά η ενσωμάτωση αυτή, υπογράφηκε 11 χρόνια αργότερα, δηλ. το 1923 (Συνθήκη της Λοζάνης). Διαφορετική ωστόσο ήταν η τύχη των δύο νησιών του Βορειοανατολικού Αιγαίου, δηλ. της Ίμβρου και της Τενέδου, τα οποία η παραπάνω συνθήκη κατακύρωσε οριστικά στην Τουρκία.
Στις 10 Νοεμβρίου το οπλιταγωγό Μακεδονία αγκυροβόλησε έξω από το Πλωμάρι και οι πεζοναύτες του αποβιβάστηκαν μέσα στους έξαλλους πανηγυρισμούς των κατοίκων. Ακολούθησε η κατάλυση των οθωμανικών αρχών στην Αγιάσο, στον Πολιχνίτο, στη Γέρα, ενώ η ελληνική ζώνη κατοχής επεκτάθηκε βόρεια μέχρι τη Θερμή.
Ο αριθμός των ελληνικών δυνάμεων που αποβιβάστηκαν, δεν ξεπερνούσε τους 1.600 άνδρες. Επειδή ο οθωμανικός στρατός αριθμούσε 1.500 - 2.000 άνδρες, αποφασίστηκε να μη γίνει η τελική σύγκρουση, πριν φτάσουν ενισχύσεις σε άνδρες στρατιωτικά μέσα και πολεμοφόδια.
Όμως, το βόρειο και δυτικό μέρος νησιού θα παραμείνουν κάτω από την τρομοκρατία των Οθωμανών, και κυρίως των ατάκτων ανταρτικών μουσουλμανικών σωμάτων (βασιβουζούκων) που συνέδραμαν το έργο του τακτικού στρατού. Έτσι, βασιβουζούκοι, διάσπαρτοι στις βορειοανατολικές περιοχές του νησιού, λεηλάτησαν το Μεσότοπο, την Αγία Παρασκευή, την Ερεσό και έκαψαν σπίτια στην Πέτρα.
Όταν στις 8 Νοεμβρίου του 1912 έγινε η αποβίβαση του ελληνικού στρατού στη Μυτιλήνη, αρκετοί χριστιανοί πατριώτες τέθηκαν στη διάθεση του ελληνικού στρατού, ο οποίος και τους εξόπλισε με σκοπό να τους χρησιμοποιήσει ως πολιτοφυλακή στα λεσβιακά χωριά και ως αντίβαρο στα μουσουλμανικά ανταρτικά σώματα. Έτσι, πράξεις τρομοκρατίας κατά του άμαχου πληθυσμού δεν έλειψαν ούτε από τους χριστιανούς, ούτε από τους μουσουλμάνους αντάρτες στις περιοχές της δράσης τους, με αποτέλεσμα η λεσβιακή ύπαιθρος να γνωρίσει στιγμές βαρβαρότητας. Για το λόγο αυτό οι ελληνικές αρχές ζήτησαν τον αφοπλισμό των χριστιανικών ανταρτικών σωμάτων και τιμώρησαν αρκετούς ένοπλους που πρωτοστάτησαν σε επεισόδια εναντίον του άμαχου μουσουλμανικού πληθυσμού.
Οι οθωμανικές τακτικές στρατιωτικές δυνάμεις είχαν οχυρωθεί στο στρατόπεδό τους στον Κλαπάδο, ένα μουσουλμανικό χωριό που δεν υπάρχει πια σήμερα και βρισκόταν στην ευρύτερη περιφέρεια της Λαφιώνας. Όμως, οι χριστιανοί κάτοικοι του τουρκοκρατούμενου ακόμα τμήματος του νησιού δεν είχαν καμιά αμφιβολία για την τελική έκβαση της μάχης. Έτσι στον Μόλυβο εξαφανίστηκαν εν ριπή οφθαλμού από τα μαγαζιά το γαλάζιο και λευκό πανί, με αποτέλεσμα οι οθωμανικές αρχές να διενεργήσουν έρευνες σε σπίτια. Επίσης, πλοία του ελληνικού στόλου βομβάρδισαν τα καΐκια στη Σκάλα του Μολύβου, προκειμένου να αποκόψουν την πιθανή επικοινωνία των Οθωμανών με τα απέναντι μικρασιατικά παράλια.
Στο μεταξύ ο ελληνικός στρατός είχε ενισχυθεί σημαντικά από 1.500 περίπου άνδρες και πολλούς ντόπιους εθελοντές. Το κύριο σώμα των εθελοντών αποτελούσε η περίφημη Λεσβιακή φάλαγγα, η οποία απαρτιζόταν από 210 Λέσβιους μετανάστες, που είχαν έρθει απ’ την Αμερική, για να βοηθήσουν στην απελευθέρωση της πατρίδας τους. Μετά την άφιξη των πολυπόθητων ενισχύσεων στα τέλη Νοεμβρίου, ο ελληνικός στρατός θα βαδίσει προς το οχυρωμένο στρατόπεδο των Οθωμανών στον Κλαπάδο.
Το οθωμανικό στρατόπεδο του Κλαπάδου δεν θα μπορέσει να αντέξει για πολύ στις επιθετικές ενέργειες του ελληνικού στρατού, που ξεκίνησαν στις 6 Δεκεμβρίου και συνοδευόταν από εύστοχες βολές πυροβολικού. Ο βομβαρδισμός του στρατοπέδου συμπληρώθηκε και από εκπληκτικής ακρίβειας βολές που ρίχνονταν από τα ελληνικά πολεμικά πλοία που βρίσκονταν στα ανοιχτά της Πέτρας. Το πρωτόκολλο παραδόσεως του οθωμανικού στρατού υπογράφηκε το πρωί της 8ης Δεκεμβρίου 1912 στο ύψωμα Πετσοφάς, νοτιοανατολικά του Κλαπάδου.
Τις επόμενες μέρες απελευθερώθηκε σταδιακά και το υπόλοιπο τμήμα του νησιού.
Στην τελική νίκη των ελληνικών όπλων σημαντική ήταν και η συμβολή της Λεσβιακής φάλαγγας. Αλλά και πολλοί άλλοι χριστιανοί της Λέσβου βοήθησαν τον ελληνικό στρατό στην προσπάθειά του να καταβάλει τον οθωμανικό στρατό στον Κλαπάδο, αφού έδωσαν σημαντικές στρατιωτικές πληροφορίες ή χρησίμευσαν ως οδηγοί του.
