Od czasów późnej epoki brązu, aż po ostatnie lata rzymskiej okupacji, odbywały się tutaj misteria i ofiary kultu Wielkich Bogów. Samotrake była duchowym centrum północnych wysp egejskich, którego rolę w świecie starożytnym można porównać tylko do misteriów eleuzyńskich (choć jest oczywiście drugorzędna).

Kult Wielkich Bogów obracał się w kręgu hierarchii starożytnych trackich bóstw płodności: Wielkiej Matki, podrzędnego męskiego bóstwa zwanego Kadmilos oraz potężnych i złowrogich, bliźniaczych demonów Kabirów. Gdy przybyli tu osadnicy z Samos (tradycyjna data to ok. 700 roku p.n.e.), po prostu połączyli tutejsze bóstwa ze swoimi. Wielka Matka stała się Demeter, jej małżonek Hermesem, a Kabirów utożsamiono z Dioskurami. Wokół świętego miejsca przybysze rozpoczęli budowę sanktuarium.

Nigdy nie opisano dokładnie misteriów tego kultu, gdyż autorzy starożytni lękali się gniewu Kabirów. Ustalono jednak, że były dwa stopnie wtajemniczenia. To niewiarygodne, ale w przeciwieństwie do misteriów eleuzyńskich tutaj w obu ceremoniach mógł uczestniczyć każdy, również kobiety i niewolnicy. Niższy stopień wtajemniczenia, tak jak prawdopodobnie w Eleuzis, mógł polegać na rytualnym odtworzeniu cyklu życia, śmierci i odradzania się. Wiemy w każdym razie, że kończyło się to radosną ucztą. Na podstawie wielu znalezionych glinianych lampek można się domyślać, że odbywało się to nocą przy ich świetle. Wyższy stopień wtajemniczenia łączył się z nietypowym wymaganiem osiągnięcia określonego poziomu moralnego — takie połączenie teologii z moralnością, silne w późniejszej tradycji judeochrześcijańskiej było rzadkie u dawnych Greków. Drugi stopień polegał m.in. na oczyszczającej spowiedzi, po czym następowało rozgrzeszenie i chrzest krwią byka.