Melatonin se najčešće koristi kod nesanice, sindroma odgođene faze sna, kod problema spavanja djece sa smetnjama u razvoju, nakon prestanka korištenja lijekova za smirenje, te za lakše odvikavanje od pušenja s obzirom da smanjuje simptome odvikavanja uključujući nemir, razdražljivost i žudnju za cigaretama.

Melatonin koristi osobama koje, putujući, mijenjaju vremenske zone, za podešavanje ciklusa spavanja i budnosti u ljudi čiji se svakodnevni radni raspored mijenja (rad u smjenama).

Melatonin može smanjiti bol, migrenske, tenzijske (napetost) i histaminske glavobolje te pomoći kod sindroma kroničnog umora.

Melatonin je jaki antioksidans te može znatnije doprinjeti zaštiti retine i odgoditi makularnu degeneraciju oka, doprinosi zaštiti srca i krvnih žila te živčanog sustava od degenerativnih promjena. Nadalje, melatonin može doprinjeti poboljšanju mineralne gustoće i čvrstoće kostiju, a može se upotrijebiti za ubrzanje zarastanja prijeloma (regeneraciju kostiju) i pri ugradnji stomatoloških usadaka (implantata). Primjenjuje se i kod neplodnosti, s obzirom da je izravno uključen u rast i sazrijevanje jajnih stanica, kao i to da koči čimbenike koji bi mogli narušiti kvalitetu jajnih stanica.