Samothraki je místo s dlouhou historií, které bylo obýváno již 5000 let před naším letopočtem. Toto dokladují archeologické nálezy Mikró Vouní. Svatyně Velkých bohů – dnes významné archeologické naleziště – bývalo místem náboženských obřadů od doby Thráků před příchodem Řeků v době od 8. do 4. století před naším letopočtem. Řekové sem přišli pravděpodobně z ostrova Samos. Svatyně bohů byla proslulá v celém řeckém i římském světě. Zavítali sem spartský vůdce Lysandros i Filip II. Makedonský. Zmiňují se o ní Platón, Aristofanés a Varro.
Paleopolis
Často je ostrov zmiňován ve starověkých legendách. Podle nich byl osídlen potomky boha Dia. Elektra zde prý porodila jeho děti Dardana, Iasiona a Armonii. Dardanos se stal prvním trojským králem a byl předkem Aineia, zakladatele Říma. Během známých ostrovních mystických obřadů tu údajně počala Olympia, manželka Filipa II., Alexandra Makedonského.
Proto se také Alexandr později mohl prohlašovat za Diova syna. V Iliadě se zase Homér zmiňuje o tom, že z vrcholků samothráckých hor sledoval bůh Poseidon trojskou válku.
Trojská válka
V 7. a 6. století před naším letopočtem zaznamenal ostrov velký rozvoj. Město Paleopolis se stalo významným střediskem egejské oblasti. Stalo se centrem „Kavariánských mysterií“, známých po celém Řecku. Není bohužel znám obsah těchto tajemných obřadů, víme ale, že nejdůležitější postavou kultu byla thrácká bohyně Axiokeros, u Řeků známá jako Demeter. Náboženské slavnosti na oslavu bohyně se konaly pravděpodobně v červenci nebo začátkem srpna – historikové to dovozují podle množství nalezených olejových lampiček. Do mystérií se zapojily také známé postavy řeckých dějin – Herodotos, král Filip nebo Cicero. Popularitu si tyto obřady udržely až do římského období, kdy bylo město zničeno zemětřesením.
Niké Samothrácká
V roce 1863 byla v troskách svatyní nalezena jedna z nejkrásnějších helénistických soch – Niké Samothrácká, vytvořená ve 2. století před naším letopočtem. Postava byla oděna do jemného chitónu. Byla převezena do pařížského Louvru a na ostrově se nachází jen její kopie. Obyvatelé ostrova doufají, že se jejich Niké na ostrov znovu vrátí. Na místě nálezu stojí, uprostřed rozsáhlého archeologického areálu, malé muzeum.
Na svatyni navazuje na východě starověké město Paleopolis, osídlené až do středověku. Zůstaly zde také pozůstatky benátského opevnění – dvě věže pevnosti Gattilusi.
