Los receptores de la melatonina se pueden dividir en diferentes categorías. La primera es la diferenciación entre los receptores de la melatonina 1 y 2 (ML1 y ML2), cada uno de los cuales tiene su propia ubicación específica y en parte también su función específica. Ambas son membranas en cuya parte exterior la melatonina es capaz de depositarse. Cuando ocurre este tipo de unión, se desencadenan una serie de procesos dentro de las células, a través de Proteínas G particulares, con los consiguientes efectos de la melatonina en la célula. También hay una tercera categoría de receptores no depositados en la membrana celular, sino ubicados en su interior. Esta clase de receptores, sin embargo, sólo se encuentra en ciertas especies de animales y no juega un papel importante para los seres humanos.

Los receptores de la melatonina 1 y 2, que hemos mencionado anteriormente, están en la estructura de células particulares presentes en muchos órganos. La información temporal, que se basa en la concentración oscilante (balanceante) de la melatonina, se transmite a los tejidos y todo el organismo.

La mayor densidad de receptores de la melatonina se encuentra en ciertas áreas del cerebro. Es interesante observar que en cada especie la distribución de los receptores de la melatonina es muy diferente. Por ejemplo, en los roedores y los mamíferos los receptores se encuentran principalmente en las áreas que controlan el reloj biológico y las funciones de las gónadas (órganos necesarios para la producción de hormonas sexuales para la reproducción), mientras que en los seres humanos, además de dentro del reloj biológico que contiene la mayor parte, los receptores se encuentran en el cerebelo y la corteza cerebral, pero no en las áreas que controlan las funciones de las gónadas. Esto confirma que la función de la melatonina ha cambiado en el curso de la evolución y que no todos los resultados recogidos en ejemplares de especies animales, no se pueden aplicar a los seres humanos de manera inequívoca.

Además de los receptores presentes en el cerebro, se han descubierto muchos otros sitios de unión dentro de órganos periféricos tales como el páncreas, el hígado, los ojos, la epidermis, algunos vasos sanguíneos, el tracto intestinal y partes de las gónadas. La función exacta de estos receptores sigue siendo objeto de una amplia investigación. Lo que es seguro es que estos sitios de unión ayudan a conectar el ritmo día/noche con funciones orgánicas específicas. Por otro lado, también se postula que la melatonina tenga funciones adicionales, que se describen más fácilmente como «ajustar» y «sincronizar» la interacción entre los diferentes órganos.

Además de la función de transmisor de los receptores, como se describe anteriormente, la melatonina también tiene un poder antioxidante. En este caso no requiere sitios de unión específicos, sino que actúa más bien como un poderoso barrendero de radicales libres. En este caso, los resultados de los experimentos con animales se pueden transferir directamente a los seres humanos, ya que esa función es únicamente el resultado de la estructura molecular de la melatonina: al tener acceso a todas las células, la melatonina puede proteger a todos los órganos tan pronto como se haya introducido. Puesto que esta hormona es producida principalmente por la noche y que puede penetrar fácilmente la barrera hematoencefálica, su papel durante el sueño en las horas nocturnas puede ser definido como preventivo contra los trastornos oxidativos, tanto dentro de las células nerviosas cerebrales como en otros órganos. Esto también nos ayuda a entender los muchos efectos positivos de la melatonina que no están directamente relacionados con su interacción con receptores específicos, sino que se basan en su capacidad antioxidante, tanto en el organismo del hombre como del animal.