Melatonina jest metoksyindolem syntetyzowanym i wydzielanym głównie przez szyszynkę w nocy w normalnych warunkach światło/ciemność. Endogenny rytm wydzielania jest generowany przez jądra nadskrzyżowaniowe i dostosowany do cyklu światło/ciemność. Światło jest w stanie albo tłumić, albo synchronizować produkcję melatoniny w zależności od rozkładu światła. Nyktohemeryczny rytm tego hormonu może być oceniony przez wielokrotne pomiary melatoniny w osoczu lub ślinie lub moczu sulfatoksymelatoniny, głównego metabolitu wątrobowego. Podstawową funkcją fizjologiczną melatoniny, której wydzielanie dostosowuje się do długości nocy, jest przekazywanie strukturom organizmu informacji o dobowym cyklu światła i ciemności. Informacja ta jest wykorzystywana do organizacji funkcji, które odpowiadają na zmiany fotoperiodu, takich jak rytmy sezonowe. Rytmiczność sezonowa funkcji fizjologicznych u ludzi, związana z możliwymi zmianami w przekazie melatoniny, ma jednak ograniczone dowody w warunkach terenowych na obszarach umiarkowanych. Również dobowa sekrecja melatoniny, która jest bardzo silnym biochemicznym sygnałem nocy, może być wykorzystana do organizacji rytmów okołodobowych. Chociaż funkcje tego hormonu u ludzi są oparte głównie na korelacjach między obserwacjami klinicznymi a wydzielaniem melatoniny, istnieją pewne dowody, że melatonina stabilizuje i wzmacnia sprzężenie rytmów okołodobowych, zwłaszcza temperatury ciała i rytmów sen-czuwanie. Od sygnału melatoninowego zależy również organizacja okołodobowa innych funkcji fizjologicznych, np. obrony immunologicznej, antyoksydacyjnej, hemostazy i regulacji glukozy. Różnica między fizjologicznym a farmakologicznym działaniem melatoniny nie zawsze jest jasna, ale opiera się na rozważeniu dawki, a nie czasu trwania przekazu hormonalnego. Przyjmuje się, że dawka „fizjologiczna” zapewnia stężenie melatoniny w osoczu tego samego rzędu wielkości, co szczyt nocny. Ponieważ układ regulacji wydzielania melatoniny jest złożony, oparty na szlakach ośrodkowych i autonomicznych, istnieje wiele sytuacji patofizjologicznych, w których wydzielanie melatoniny może być zaburzone. Wynikające z tego zmiany mogą zwiększać predyspozycję do zachorowania, zwiększać nasilenie objawów lub modyfikować przebieg i wynik choroby. Ponieważ receptory melatoniny wykazują bardzo szerokie rozmieszczenie w organizmie, potencjalne wskazania terapeutyczne dla tego związku są wielorakie. Duży postęp w tej dziedzinie może przynieść opracowanie wieloośrodkowych badań na dużych seriach pacjentów, w celu ustalenia skuteczności melatoniny i braku długotrwałej toksyczności.