Многие эффекты мелатонина обусловлены взаимодействием с мелатониновыми рецепторами (MT₁, MT₂)<ref>Boutin JA, Audinot V, Ferry G, Delagrange P (August 2005). "Molecular tools to study melatonin pathways and actions". Trends in Pharmacological Sciences 26 (8): 412–9.</ref>, в то время как другие эффекты связаны с его антиоксидантным и омолаживающим действием, особенное . Особое значение придается способности мелатонина предохранять ядерную и митохондриальную ДНК.<ref>Reiter RJ, Acuña-Castroviejo D, Tan DX, Burkhardt S (June 2001). "Free radical-mediated molecular damage. Mechanisms for the protective actions of melatonin in the central nervous system". Annals of the New York Academy of Sciences 939: 200–15.</ref>