Melatonin je methoxyindol syntetizovaný a vylučovaný hlavně epifýzou v noci za normálních podmínek světla a tmy. Endogenní rytmus sekrece je vytvářen suprachiasmatickými jádry a je přizpůsoben cyklu světlo/tma. Světlo je schopno produkci melatoninu buď potlačit, nebo synchronizovat v závislosti na světelném režimu. Niktohemerální rytmus tohoto hormonu lze hodnotit opakovaným měřením plazmatického nebo slinného melatoninu nebo močového sulfatoxymelatoninu, hlavního jaterního metabolitu. Hlavní fyziologickou funkcí melatoninu, jehož sekrece se přizpůsobuje délce noci, je předávat tělesným strukturám informace týkající se denního cyklu světla a tmy. Tyto informace slouží k organizaci funkcí, které reagují na změny fotoperiody, jako jsou sezónní rytmy. Sezónní rytmicita fyziologických funkcí u člověka související s možnou změnou melatoninového poselství však zůstává v mírných oblastech v polních podmínkách jen omezeně doložena. Také denní sekrece melatoninu, která je velmi robustním biochemickým signálem noci, může být využita pro organizaci cirkadiánních rytmů. Ačkoli funkce tohoto hormonu u lidí jsou založeny především na korelacích mezi klinickými pozorováními a sekrecí melatoninu, existují určité důkazy, že melatonin stabilizuje a posiluje propojení cirkadiánních rytmů, zejména teploty jádra a rytmů spánek-bdění. Na melatoninovém signálu závisí také cirkadiánní organizace dalších fyziologických funkcí, například imunitní a antioxidační obrany, hemostázy a regulace glukózy. Rozdíl mezi fyziologickými a farmakologickými účinky melatoninu není vždy jasný, ale vychází z úvahy o dávce, nikoli o délce trvání hormonálního sdělení. Připouští se, že „fyziologická“ dávka poskytuje plazmatické hladiny melatoninu ve stejném řádu jako noční maximum. Vzhledem k tomu, že regulační systém sekrece melatoninu je složitý a navazuje na centrální a autonomní dráhy, existuje mnoho patofyziologických situací, kdy může být sekrece melatoninu narušena. Výsledná změna může zvýšit predispozici k onemocnění, zvýšit závažnost příznaků nebo modifikovat průběh a výsledek poruchy. Vzhledem k tomu, že melatoninové receptory vykazují velmi širokou distribuci v organismu, jsou předpokládané terapeutické indikace této sloučeniny četné. Velkého pokroku v této oblasti by mohlo být dosaženo vypracováním multicentrických studií na velkých sériích pacientů, aby se zjistila účinnost melatoninu a absence dlouhodobé toxicity.