Ο προϊστορικός οικισμός (Μικρό Βουνί) που έζησε από την Τελική Νεολιθική του αιγαιακού χώρου ως τα όψιμα χρόνια της Μέσης Χαλκοκρατίας αποτελεί παράδειγμα πρωτοαστικής «πόλης» στο Αιγαίο. Εντοπίστηκαν οικισμοί της Ύστερης Χαλκοκρατίας και τρία μεγαλιθικά ταφικά μνημεία από την εποχή του Σιδήρου. Το τελευταίο στρώμα του προελληνικού πληθυσμού ήταν θρακικό και η γλώσσα του παρέμεινε ως τελετουργική γλώσσα στη λατρεία των Μεγάλων Θεών μέχρι τον 1ο αι. π.Χ. Γύρω στο 700 π.Χ. το νησί αποίκισαν Αιολείς. Η πόλη, με ασημένια νομίσματα και μικρό πολεμικό στόλο στα αρχαϊκά χρόνια, προστατεύτηκε στις αρχές του 6ου με εντυπωσιακό τείχος. Στα ελληνιστικά και ρωμαϊκά χρόνια η λατρεία των Μεγάλων Θεών παίρνει διεθνή χαρακτήρα. Η νομισματοκοπία που είχε διακοπεί τα κλασικά χρόνια συνεχίζεται μέχρι τον 1ο αιώνα π.Χ. Ωστόσο, από τον 3ο αιώνα μ.Χ. αρχίζει σταθερή η παρακμή. Γύρω στο 1430 η Σαμοθράκη περιέρχεται στην κυριαρχία του γενουάτη ηγεμόνα της Αίνου Παλαμήδη Gattilusi. Ερημώνεται δύο φορές, στην Άλωση της Κωνσταντινούπολης και το 1821.
Κεντρική μορφή της θρησκείας των Μεγάλων Θεών είναι μια «Μεγάλη Μητέρα», η Αξίερος, Δήμητρα για τους Έλληνες, συγγενική της Κυβέλης και των αντίστοιχων θεαινών της Ανατολίας. Από την Αξίερον πιθανόν αποσπάσθηκαν η Εκάτη Ζηρυνθία και Αφροδίτη Ζηρυνθία, ενώ προσκολλημένος σε αυτή είναι ο Καδμίλος, ιθυφαλλικός θεός της γονιμότητας που ταυτίστηκε με τον Ερμή. Κάβειροι είναι δύο συνοδοί ιθυφαλλικοί δαίμονες. Στους Μεγάλους Θεούς ανήκουν ένας θεός του Κάτω Κόσμου και η γυναίκα του, ο Αξιόκερσος (Άδης) και η Αξιόκερσα (Περσεφόνη). Οι γιορτές της Σαμοθράκης δραματοποιούσαν το γάμο του Κάδμου και της Αρμονίας. Στα νυχτερινά Μυστήρια των Μεγάλων Θεών υπήρχαν δύο βαθμίδες: η καθαυτό μύηση και η εποπτεία. Μεγάλες ποσότητες κρασιού καταναλώνονταν στο συμπόσιο, πριν ή μετά τη μύηση.
Γύρω στο 340 π.Χ., στην καρδιά του Ιερού Χώρου που έχει έκταση 50 περίπου στρεμμάτων, κτίστηκε ορθογώνιος περίβολος γνωστός ως Τέμενος, πιθανόν ανάθημα του Φιλίππου Β΄. Το Πρόπυλο στην είσοδό του αποδίδεται στον Σκόπα. Η ζωφόρος διακοσμείται με τελετουργικό χορό κοριτσιών στην πρωιμότερη χρήση του αρχαϊστικού ρυθμού. Ανάμεσα στο 288 και το 281 π.Χ. η βασίλισσα Αρσινόη αφιέρωσε τη Θόλο, γνωστή με το όνομά της. Η Θόλος αποτελεί το μεγαλύτερο γνωστό κλειστό και κυκλικό οικοδόμημα της αρχαίας ελληνικής αρχιτεκτονικής. Στο τέλος του 3ου αιώνα π.Χ. κατασκευάζεται θέατρο και, αργότερα, πάνω από το κοίλο, ορθογώνιο κτίσμα που χωριζόταν σε δύο τμήματα. Στο πίσω νότιο τμήμα έστεκε η πλώρη του πλοίου με τη Νίκη.
Μετά την κατάργηση της πολυθεϊστικής λατρείας τον όψιμο 4ο αιώνα π.Χ. το Ιερό ερημώνει. Ένα καμίνι του 5ου αιώνα που μεταβάλλει τα κοντινά του μάρμαρα σε ασβέστη, ένας σεισμός στα μέσα του 6ου αιώνα και η σύληση ως τα νεότερα χρόνια ολοκληρώνουν την καταστροφή. Το ιστορικό της έρευνας αρχίζει με τον γάλλο πρόξενο στην Αδριανούπολη M. Champoiseau που πρώτος έσκαψε στη Σαμοθράκη το 1863 βρίσκοντας στο Ιερό των Μεγάλων Θεών το άγαλμα της Νίκης. Ακολουθούν άλλοι Γάλλοι, δύο αυστριακές αποστολές και, από το 1938, το Πανεπιστήμιο της Νέα Υόρκης. Από το 1982 η ΙΘ΄ ΕΠΚΑ εργάζεται στην προϊστορική θέση Μικρό Βουνί.