Ο βυζαντινός ναός της Παναγίας Τρουλωτής (ή Τουρλωτή) είναι χτισμένος στους Πύργους Θερμής Λέσβου στην κορυφή ενός λόφου ο οποίος αντικρύζει τα μικρασιατικά παράλια και στεφανώνει την περιοχή «Πετραλώνια, όπου απλωνόταν ο αρχαίος οικισμός της Θερμής.
Όπως διαβάζουμε στον πίνακα πληροφοριών για τους επισκέπτες, με τον όρο «βυζαντινό» εκφράζονται δύο έννοιες: ή ότι ο ναός οικοδομήθηκε κατά τους βυζαντινούς χρόνους ή ότι η μορφή του είναι βυζαντινού ρυθμού.
Ο ναός ανήκει στον τύπο του απλού τετρακιόνιου σταυροειδούς εγγεγραμμένου ναού με κυλινδρικό τρούλο. Λόγω των μικρών διαστάσεων του και για την κάλυψη των αυξανόμενων αναγκών στέγασης των πιστών προστέθηκε μεταγενέστερα νάρθηκας στη δυτική του πλευρά. Στη βόρεια πλευρά του νάρθηκα προσκολλήθηκε αργότερα και μικρός εξωνάρθηκας που δεν υφίσταται σήμερα. Ο ναός έχει υποστεί μετατροπές σε διάφορα μέρη του, όπως στις αψίδες του τριμερούς Ιερού Βήματος, που επηρεάζουν την εικόνα του μνημείου χωρίς όμως να μειώνουν την σπουδαιότητά του. Σε μετατροπή οφείλεται η κατάργηση των παλαιών τρίλοβων παραθύρων και η αντικατάστασή τους με νέα τετραγωνικού σχήματος.
Η εξωτερική εικόνα του ναού είναι λιτή. Είναι χτισμένος από ντόπιο υλικό με αργολιθοδομή, με ελάχιστα στοιχεία πλίνθινου διακόσμου, που περιορίζεται στα παράθυρα, τα τόξα των οποίων περιβάλλονται μερικώς από μονή σειρά πλίνθων στα σημεία όπου πιθανόν υπήρχε πλίνθινος διάκοσμος. Μαρμάρινα μέλη σε δεύτερη χρήση βρίσκονται εντοιχισμένα σε διάφορα μέρη του ναού. Αρχαία επιγραφή έχει εντοιχιστεί στα αριστερά της εισόδου, ενώ στη δυτική πλευρά δύο μαρμάρινες ανάγλυφες πλάκες απεικονίζουν θηριομαχία και θηρίο που σπαράσσει ελάφι.
Εξωτερικά ο εγγεγραμμένος σταυροειδής ναός είναι κυβόσχημος ενώ οι κεραίες του σταυρού δεν διαγράφονται με ευκρίνεια καθώς τα γωνιακά διαμερίσματα στεγάζονται με χαμηλότερες στέγες. Ο τύπος αυτός ναού θα κυριαρχήσει ως το τέλος της βυζαντινής αυτοκρατορίας αλλά και στη μεταβυζαντινή ακόμη εποχή γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρονολόγηση των βυζαντινών μνημείων. Για τον συγκεκριμένο ναό παρόλο που δεν υπάρχουν γραπτές πηγές, έρευνες αποφαίνονται στο ότι πρόκειται για κτίσμα του 14ου προς 15ου αιώνα, (σύμφωνα με όσα αναγράφονται στην περιγραφή του ναού στις πληροφορίες για τον επισκέπτη) όμως στο http://odysseus.culture.gr/h/1/gh151.jsp?obj_id=15701 αναφέρεται ότι πρόσφατα έχει προταθεί η χρονολόγησή του στον 10ο αιώνα και ο συσχετισμός του με τα μεταβατικά μνημεία της εποχής.
Σύμφωνα με τον τύπο στον οποίο ανήκει (τον εγγεγραμμένο σταυροειδή), ο ναός έχει μικρές διαστάσεις και οι χώροι αναπτύσσονται γύρω από έναν πυρήνα, που είναι ο τρούλος. Μέσα σε ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο εγγράφεται ένας σταυρός καθώς ο τρούλος στηρίζεται πάνω σε τέσσερις πεσσούς. Ο τύπος αυτός ναού έχει κοσμολογικό και συμβολικό χαρακτήρα. Είναι η μικρογραφία του Σύμπαντος όπου ο τρούλος συμβολίζει τον ουρανό και τα κατώτερα μέρη, τη γη. Ωστόσο ο σταυροειδής εγγεγραμμένος ικανοποιούσε πλήρως και το εικονογραφικό πρόγραμμα της εποχής καθώς γίνεται πλήρης εκμετάλλευση της ιεράρχησης των επιφανειών του: Πρόκειται για έναν δογματικό κύκλο όπου τονίζονται δύο κύρια δόγματα της χριστιανικής θρησκείας: η Ενανθρώπιση του Χριστού και η θυσία του πάνω στον Σταυρό για τη σωτηρία της ανθρωπότητας. Στον τρούλο εμφανίζεται κανονικά ο Παντοκράτορας, προφήτες και μερικές φορές και άλλες θείες δυνάμεις, στα σφαιρικά τρίγωνά οι ευαγγελιστές και στις καμάρες σκηνές από τη ζωή του Χριστού.
Εσωτερικά ο ναός ήταν άλλοτε κατάγραφος από τοιχογραφίες. Σήμερα σώζεται μικρό τμήμα αυτών στον τρούλο, στους τοίχους και στους πεσσούς. Οι τοιχογραφίες χρονολογούνται με επιγραφή στο έτος 1650. Στο Ιερό Βήμα έχουν διασωθεί σπαράγματα στην κεντρική κόγχη και στην πρόθεση.
Η απόξεση κονιαμάτων έφερε στο φως ελάχιστα τμήματα ζωγραφικού διακόσμου που πρέπει να χρονολογηθούν μάλλον στο τέλος του 12ου αιώνα (Γ. Γούναρης).
Το ξύλινο τέμπλο του ναού είναι μεταγενέστερο και χρονολογείται στον 18ο αι. Ξεχωρίζουν σε δύο θωράκιά του οι ανάγλυφες παραστάσεις των πρωτοπλάστων και η θυσία του Αβραάμ.
Από το ναό προέρχεται και η μαρμάρινη φιάλη αγιασμού που θα μπορούσε να χρονολογηθεί στη βυζαντινή περίοδο.
Η ανέγερση του ναού τοποθετείται από τους περισσότερους στον 14ο- 15ο αιώνα. Πρόσφατα έχει προταθεί η χρονολόγησή του στον 10ο αιώνα και ο συσχετισμός του με τα μεταβατικά μνημεία της εποχής .
Ο ναός είναι αφιερωμένος στην Κοίμηση της Θεοτόκου και ονομάστηκε Παναγία Τρουλωτή επειδή το εικονογραφικό πρόγραμμα διαφοροποιείται καθώς τον θόλο του συγκεκριμένου τρούλου κοσμεί η Θεοτόκος αντί για τον κατά κανόνα Παντοκράτορα.
