Bei Säugetieren wird Melatonin in der Zirbeldrüse aus der essentiellen Aminosäure Tryptophan hergestellt, wobei als Zwischenprodukt Serotonin entsteht. Im Allgemeinen wirkt Melatonin wie ein endokrines Hormon.
Viele biologische Wirkungen von Melatonin werden durch die Aktivierung von Melatoninrezeptoren erzeugt, während andere auf seine Rolle als starkes Antioxidans zurückzuführen sind, da es ein direkter Fänger von OH, O2- und NO ist.
Die Serum- und Speichel-Melatoninspiegel beim Menschen zeigen einen ausgeprägten zirkadianen Rhythmus, der durch sehr niedrige Werte während des Tages und hohe Werte während der Nacht gekennzeichnet ist.
Beim Menschen werden 90 % des Melatonins in einer einzigen Passage durch die Leber abgebaut, eine kleine Menge wird mit dem Urin ausgeschieden und eine geringe Menge befindet sich im Speichel.