Ludzie stosują melatoninę w celu uregulowania wewnętrznego zegara. Stosuje się go do łagodzenia jet lagu, do dostosowywania cyklów snu u osób, których codzienne godziny pracy zmieniają się (zaburzenia ze względu na zmienne godziny pracy), a także pomaganie osobom niewidomym w ustalaniu cyklu dziennego i nocnego. Melatonina jest również używana do leczenia bezsenności; zespołu opóźnionej fazy snu (DSPS); zaburzenia snu fazy REM (RBD); bezsenność związana z zaburzeniem nadpobudliwości psychoruchowej (ADHD); bezsenność z powodu niektórych leków na nadciśnienie zwanych beta-blokerami; zaburzenia snu u dzieci z zaburzeniami rozwojowymi, w tym autyzmem, porażeniem mózgowym i niepełnosprawnością intelektualną. Jest również stosowany jako środek wspomagający sen po zaprzestaniu stosowania leków benzodiazepinowych oraz w celu zmniejszenia skutków ubocznych po rzuceniu palenia. Niektórzy ludzie stosują melatoninę w chorobie Alzheimera lub utracie pamięci (demencja), chorobie afektywnej dwubiegunowej, chorobie płuc zwanej przewlekłą obturacyjną chorobą płuc (COPD), bezsenności spowodowanej lekami beta-blokerami, endometriozą, dzwonieniem w uszach, depresją lub sezonowym zaburzeniem afektywnym (SAD), łagodne zaburzenia psychiczne, niealkoholowa choroba wątroby, zespół chronicznego zmęczenia (CFS), fibromialgię, zespół niespokojnych nóg, chorobę zapalną zwaną sarkoidozą, schizofrenią, migreną i innymi bólami głowy, utratą wzroku związaną z wiekiem, łagodnym przerostem prostaty (BPH) zapalenie oskrzeli, zespół jelita drażliwego (IBS), utrata masy kostnej (osteoporoza), zaburzenia ruchowe zwane dyskretną dyskinezą (TD), kwas refluksowy, Helicobacter pylori (H. pylori), sprawność fizyczna, niepłodność, epilepsja, starzenie się, menopauza, zespół metaboliczny, do regeneracji po zabiegach chirurgicznych, pobudzenie spowodowane znieczuleniem, stresem, zaburzeniami ruchowymi mimowolnymi (dyskineza późna), zmiany tętna, tachykardia, delirium, zaburzenia kontrolowania oddawania moczu, ból żuchwy, zapalenie jelit (wrzodziejące zapalenie jelita grubego) oraz w celu antykoncepcyjnym.