Melatonin ist evolutionsgeschichtlich betrachtet ein sehr altes Antioxidans. Nach seiner anfänglichen Entwicklung in Bakterien blieb es über die gesamte Evolution hinweg erhalten, sodass es möglicherweise in jeder jemals existierenden Spezies vorhanden ist oder war.
Auch wenn es über die gesamte Evolution während der Diversifizierung der Arten erhalten blieb, hat sich die chemische Struktur von Melatonin nie verändert. Daher ist das Melatonin, das heute im Menschen zu finden ist, identisch mit dem Melatonin von Cyanobakterien, die seit Milliarden von Jahren auf der Erde existieren. Melatonin ist im systemischen Kreislauf von Säugetieren bereits nach kurzer Zeit aus der Blutbahn verschwunden, vermutlich aufgrund seiner Aufnahme durch Zellen, insbesondere wenn diese unter starkem oxidativem Stress stehen. Die Messung der subzellulären Verteilung von Melatonin zeigt, dass die Konzentration dieses Indols in den Mitochondrien die im Blut deutlich übersteigt. Melatonin gelangt vermutlich über Oligopeptidtransporter wie PEPT1 und PEPT2 in die Mitochondrien. Somit ist Melatonin also speziell auf die Mitochondrien ausgerichtet, wo es als Apex-Antioxidans zu fungieren scheint. Zusätzlich zur Aufnahme aus dem Kreislauf kann Melatonin auch in den Mitochondrien selbst produziert werden. Mitochondrien entstanden im Laufe der Evolution wahrscheinlich, als melatoninbildende Bakterien von Vorläufer-Prokaryoten als Nahrung aufgenommen wurden. Mit der Zeit entwickelten sich die endozytierten Bakterien zu Mitochondrien, was auch als Endosymbiontentheorie der Entstehung von Mitochondrien bezeichnet wird. Dabei behielten die Mitochondrien ihre Fähigkeit, Melatonin zu synthetisieren.
So wird Melatonin von den Mitochondrien nicht nur aufgenommen, sondern es ist davon auszugehen, dass diese Organellen neben ihren vielen anderen Funktionen vermutlich auch selbst Melatonin produzieren. Die hohen Konzentrationen und die vielfältigen Effekte von Melatonin als Antioxidans bieten so diesen Organellen, die einer großen Zahl freier Radikale ausgesetzt sind, einen starken antioxidativen Schutz.