הפעולה של מלטונין ברמה התאית מתרחש באמצעות שני מעגלים רגולטוריים נפרדים, לשניים מהם חשיבות עליונה. אלה מצמידים חלבון G מלטונין קולטן 1 (MT1) וקולטן 2 מלטונין (MT2), שהוא גם מצויד בחלבון G.
MT1 משפיע על רבייה (רבייה), מטבוליזם (מטבוליזם) והתכווצות כלי הדם (התכווצות כלי הדם); MT2 נדרש להעברת אותות היממה וכן לרשתית ("משפיעה על הרשתית") דופמין שחרור והרחבת כלי דם (הרחבת כלי דם). יתר על כן, הפעלת קולטני MT1 ו- MT2 על ידי מלטונין השפעות חיוביות נוגד חמצון פוטנציאל כמו גם אפופטוזיס (מוות תאי מתוכנת), כלומר למלטונין יש נוגד חמצון השפעה ברמה התאית ובכך מגן על התא.
בנוסף נוגד חמצון השפעה של מלטונין, נצפתה גם השפעה חיסונית. מצד אחד, ההורמון פועל כמזלזל רדיקלי ומצד שני מספר נוגדי החמצון אנזימים מגביר.
מלטונין משפיע על קצב היממה ומעביר מידע על קצב היום-לילה בגוף. יש לו השפעה מעודדת שינה ובין היתר מוריד את טמפרטורת הגוף בלילה. במחקרים שונים נצפה כי צריכת מלטונין דרך הפה שיפרה פרמטרים שונים של השינה. במטא-אנליזה עם 19 תרופת סרקמחקרי התערבות מבוקרים הכוללים 1,683 נבדקים עם הפרעות שינה, נחקרה ההשפעה של 2 עד 5 מ"ג מלטונין. תוך 7 עד 28 יום, זמן תחילת השינה התקצר ואיכות ומשך השינה גדל. במטא-אנליזה אחרת עם 13 מחקרים נמצא כי למלטונין יש השפעה חיובית על איכות השינה הראשונית נדודי שינה, תסמונת שלב עיכוב בשינה, הפרעת ערות שינה שאיננה 24 שעות בקרב נבדקים עיוורים, והפרעת התנהגות REM. במחקר התערבות של נבדקים שישנים גרוע מעל גיל 50, א מנה של עד 0.3 מ"ג מלטונין מדי יום שיפרו את איכות השינה ורמות המלטונין בפלזמה מנורמלות. מכיוון שקשישים סובלים מהפרעות שינה קלות בגלל מחסור במלטונין, זה נצפה במחקרים של Wade et al. שמלטונין יעיל במיוחד בתת אוכלוסייה זו. במשך תקופה של לפחות שלושה שבועות, נבדקים בני 3 עד 18 לקחו 80 מ"ג מלטונין מדי יום. חל שיפור באיכות השינה בקולקטיב הנושא המבוגר (2 ומעלה). מלטונין הראה השפעות הקשורות לגיל במחקרים אלה ללא תלות ברמות המלטונין הבסיסיות (55-SMT נמדד בשתן).
הערה: זמינות ביולוגית של מלטונין נמוך מאוד מכיוון שמלטונין עובר גבוה מטבוליזם במעבר ראשון ב כבד. מחצית החיים של הפלזמה היא כ- 30 דקות בלבד. נראה כי למלטונין יש פונקציה של דופק קצר, במובן של ציטבר.
