Ο ναός κοιμήσεως της Θεοτόκου αποτελεί κεντρικό προσκύνημα που βρίσκεται στην ορεινή Αγιάσο εξαιτίας της θαυματουργής εικόνας της Παναγίας η οποία θησαυρίζεται εκεί και η ιστορία του ξεκινά τα χρόνια της Εικονομαχίας,.
Τον 8ο αι. ο μοναχός Αγάθων προσήλθε στην περιοχή, δεδομένου ότι στη Λέσβο το κλίμα της εικονομαχίας άρχισε να εκλείπει. Ερχόμενος από τα Ιεροσόλυμα μετέφερε κειμήλια μεταξύ των οποίων και η εικόνα της Θεοτόκου. Πολύ αργότερα μετά το θάνατό του, το 1170 ιδρύθηκε μεγαλοπρεπής ναός όπου οι ακόλουθοι του μοναχού μετέφεραν την εικόνα, τα λείψανα του μοναχού Αγάθωνος, τεμάχιο του Τιμίου Ξύλου και άλλα σεβάσματα. Έτσι, ιδρύθηκε η μονή της Παναγίας, η οποία έμελλε να αποτελέσει τον ενοριακό ναό του οικισμού που άρχισε να δημιουργείται γύρω από τη μοναστική κοινότητα μετά την άλωση της Λέσβου απ’ του Οθωμανούς. Έτσι, ο οικισμός πήρε το όνομα που ήταν γραμμένο πάνω στην εικόνα της Παναγίας (Αγία Σιών, εξ ού Αγιάσος).
Το 1783 η μονή διαλύθηκε, ο ναός παρέμεινε να αποτελεί την εκκλησία του οικισμού και η διοίκησή του περιήλθε στα χέρια των λαϊκών επιτρόπων. Το 1806 ο ναός κατεδαφίστηκε και στη θέση του ανηγέρθηκε νέος μεγαλύτερος. Κατά της εργασίες της κατασκευής των ξυλογλύπτων μεγάλη φωτιά κατέκαψε μεγάλο μέρος του χωριού και προκάλεσε ζημιές στο έργο. Το 1815 η προσπάθεια ανοικοδόμησης συνεχίστηκε με εργολαβία του κάλφα Χατζηελευθερίου εξ Άγρας.
Έτσι, προήλθε η σημερινή μορφή του ναού ο οποίος αποτελεί τρίκλιτη βασιλική τεραστίων διαστάσεων (μήκους 32,20 μ. και πλάτους 26,20 μ.). Η εξωτερική μορφή είναι χαρακτηριστική των λεσβιακών βασιλικών. Η στέγη είναι τετράριχτη με αποτμήσεις στην ανατολική και δυτική πλευρά, ενώ ο νάρθηκας περικλείεται από κιονοστοιχία. Το ιερό βήμα τρεις κόγχες, κάθε μία εκ των οποίων φέρει αγία Τράπεζα.
Το τέμπλο και ο θρόνος είναι θαυμάσια δείγματα μαρμαρογλυπτικής. Κατά την κατασκευή του τέμπλου θεωρήθηκε χαμηλό και προστέθηκε ξύλινο τμήμα, το οποίο φιλοτεχνήθηκε στην τεχνοτροπία του μαρμάρου, στα ίδια σχέδια και χρώματα, ώστε να μη διακρίνεται η διαφορά των δύο υλικών. Ο ναός βρίθει από αξιόλογες φορητές εικόνες χρονολογούμενες από τον 10ο ως τον 19ο αι..
Στο προαύλιο λειτουργεί πλούσιο σε εκθέματα εκκλησιαστικό μουσείο, όπου εκτίθενται φορητές εικόνες, χειρόγραφα, παλαίτυπα βιβλία, χρυσοκέντητα άμφια, δημιουργήματα εκκλησιαστικής μεταλλοτεχνίας και άλλα πολύτιμα αντικείμενα. Τα σημαντικότερα εκθέματα θεωρείται πως είναι ένας μικρός σταυρός ευλογίας, τον οποίο είχε φέρει ο μοναχός Αγάθων από τα Ιεροσόλυμα, ένας κεντητός επιτάφιος της Παναγίας, κωνσταντινουπολίτικο δημιούργημα του 1812 και ένα κουβούκλιο Επιταφίου με ιστορημένες παραστάσεις από το Πάθος του Κυρίου και τη ζωή της Θεοτόκου.
Ο ναός πανηγυρίζει το Δεκαπενταύγουστο, οπότε πλήθος πιστών συρρέει στην Αγιάσο απ’ όλα τα μέρη του νησιού πεζοπορώντας για να ασπαστεί την εικόνα της Παναγιάς, όπως επίσης και στην εορτή της Υψώσεως του Σταυρού, καθότι στο ναό φυλάσσεται απότμημα Τιμίου Ξύλου, παρακαταθήκη του μοναχού Αγάθωνος.