La melatonina è un ormone sintetizzato a partire dall'amminoacido triptofano nella ghiandola pineale. La sua secrezione, controllata da alcuni neuroni pacemaker del nucleo soprachiasmatico, avviene con ritmo circadiano: è massima poco prima della fase notturna del giorno e quasi nulla durante la fase diurna.
L'ormone sembra essere coinvolto nell'adattamento dell'organismo al ciclo luce-buio dell'ambiente, nella regolazione del sistema immunitario ed, inoltre, è un potente agente antiossidante; sembra sia utile nella prevenzione dei tumori, data la sua capacità di preservare l'integrità del DNA, e nella prevenzione dello sviluppo di neoplasie maligne in quanto agisce come agente onco-statico. La melatonina esercita i suoi effetti attraverso l'interazione con specifici recettori di membrana MT1 e MT2 espressi in diverse aree cerebrali e in alcuni tessuti periferici. La melatonina, originariamente scoperta nella ghiandola pineale dei bovini, fu ritrovata in molte altre specie animali: vertebrati mammiferi, uccelli, rettili, anfibi, pesci ossei e cartilaginei, ciclostomi e in diverse specie di invertebrati. Dopo la prima evidenza della presenza della melatonina nell'alga Lingulodinium polyedrum, la melatonina fu ritrovata in molte alghe e in diverse specie di funghi, protisti, procarioti e in numerose piante superiori (angiosperme, sia dicotiledoni che monocotiledoni). Il ruolo della melatonina nelle piante è poco noto: promuove la crescita, e agisce come mediatore dell'oscurità e coordina le risposte ai cambiamenti ambientali e del fotoperiodo.
L'aumento dei livelli di melatonina nella fase notturna è in grado di promuovere il sonno attraverso l'inibizione del firing dei neuroni del sistema nervoso centrale. Anomalie del sistema melatonina-recettori melatoninergici-nucleo soprachiasmatico contribuisce alla comparsa dei disturbi del sonno. Proprio per questi motivi la melatonina trova applicazione nel riassestamento dei disturbi del sonno soprattutto nel jet-lag o nei turnisti. In commercio sono presenti diversi integratori alimentari a base di melatonina indicati per il trattamento di questi disturbi. Su richiesta della Commissione Europea, l'EFSA ha formulato un parere scientifico sull'attendibilità delle indicazioni sulla salute inerenti alla relazione tra la melatonina e la latenza di addormentamento, prendendo in considerazione tre meta-analisi condotte su studi clinici controllati, che valutavano l'effetto di consumo di melatonina sulla latenza di addormentamento in soggetti sani senza insonnia, in soggetti con disturbi del sonno primari, o in soggetti sani con o senza insonnia e che mostravano un effetto significativo della melatonina sulla latenza di addormentamento con una dose di 1mg. Il Comitato è giunto alla conclusione che esiste una correlazione tra consumo di melatonina e la riduzione del tempo di addormentamento e che l'effetto si ottiene con un dosaggio di 1mg di sostanza. Sulla base di queste valutazioni scientifiche, i dosaggi ammessi negli integratori alimentari a base di melatonina sono stati ridotti ad 1mg di sostanza, quantità sufficiente ad ottenere l'effetto fisiologico. Sono stati altresì definiti i claims autorizzati per suddetti integratori: 1) contribuisce ad alleviare gli effetti jat lag e 2) contribuisce alla riduzione del tempo richiesto per prendere sonno. A partire da gennaio 2014 è pertanto vietata la produzione, la detenzione e la vendita di integratori con dosaggi superiori.