Η υπόγεια λίμνη της Μελισσάνης που ανακαλύφθηκε το 1951 από τον σπηλαιολόγο Γιάννη Πετρόχειλο, βρίσκεται στον Καραβόμυλο, λίγο έξω από τη Σάμη. Στο εσωτερικό της έχει καταρρεύσει ένα μεγάλο μέρος της οροφής, αποκαλύπτοντας ένα συναρπαστικό θέαμα. Στην αρχαιότητα, η λίμνη ήταν τόπος λατρείας του Πάνα και της νύμφης Μελισσάνθης. Ο μύθος λέει πως η Μελισσάνθη αυτοκτόνησε μέσα στη λίμνη από τη λύπη της, επειδή ο Πάνας δεν ανταποκρίθηκε στον έρωτά της. Σύμφωνα με μια άλλη εκδοχή η βοσκοπούλα Μελισσάνθη έχασε ένα πρόβατο και καθώς προσπαθούσε να το βρει, σκόνταψε και έπεσε μέσα στη λίμνη. Μέσα στη λίμνη βρίσκεται ένα νησάκι, στο οποίο ο αρχαιολόγος Σ. Μαρινάτος ανακάλυψε ιερό του Πάνα, τα ευρήματα του οποίου βρίσκονται στο Αρχαιολογικό Μουσείο Αργοστολίου. Τα ευρήματα αυτά είναι ένα πήλινο ειδώλιο του θεού Πάνα, ένας πήλινος δίσκος που απεικονίζει νύμφες να χορεύουν, μια πήλινη πλάκα με πομπή νυμφών καθώς και ένα μικρό πλακίδιο με ανάγλυφη γυναικεία μορφή.
Το βαραθροσπήλαιο της Μελισσάνης αποτελεί μοναδικό γεωλογικό φαινόμενο. Δημιουργήθηκε από μια μηχανική και χημική διεργασία που ονομάζεται καρστικοποίηση, κατά την οποία το νερό εισχωρεί στα ασβεστολιθικά πετρώματα, τα διαβρώνει και δημιουργεί κοιλώματα. Το 1963 αποδείχθηκε ότι το σπήλαιο της Μελισσάνης επικοινωνεί με όλο το καρστικό δίκτυο του νησιού, δεδομένου ότι το θαλασσινό νερό εισχωρεί στο έδαφος από την περιοχή του Αργοστολίου (Καταβόθρες), ακολουθεί μια υπόγεια διαδρομή, ενώνεται με νερό της βροχής που έχει εισχωρήσει από τα πετρώματα και φτάνει στη Μελισσάνη και σε άλλα σπήλαια της περιοχής για να διοχετευτεί, υφάλμυρο πλέον, στην περιοχή του Καραβόμυλου.
Οι σημερινοί επισκέπτες φτάνουν ως τη λίμνη από ένα υπόγειο τούνελ και έχουν τη δυνατότητα να την εξερευνήσουν με βάρκα και ξεναγό, για να θαυμάσουν το απαράμιλλο φυσικό γλυπτό που δημιουργούν οι αμέτρητοι σταλακτίτες και το κρυστάλλινο γαλαζοπράσινο χρώμα των νερών.