Melatonin ist ein sehr altes Molekül, das bis zum Ursprung des Lebens zurückverfolgt werden kann. Die ursprüngliche Funktion von Melatonin war wahrscheinlich die eines Fängers freier Radikale. Melatonin hat sich vermutlich in Bakterien entwickelt; es wurde sowohl in α-Proteobakterien als auch in photosynthetischen Cyanobakterien nachgewiesen.
In der frühen Evolution wurden Bakterien wegen ihres Nährwerts von primitiven Eukaryoten phagozytiert. Nach der Endosymbiontentheorie gingen die aufgenommenen Bakterien schließlich eine symbiotische Beziehung mit ihren Wirts-Eukaryoten ein. Die aufgenommenen α-Proteobakterien entwickelten sich zu Mitochondrien, während Cyanobakterien zu Chloroplasten wurden. Beide Organellen behielten ihre Fähigkeit Melatonin zu produzieren. Da diese Organellen bis heute fortbestehen, besitzen alle Arten, die jemals existierten oder gegenwärtig existieren, (noch immer) die Fähigkeit, Melatonin in ihren Mitochondrien (Tiere und Pflanzen) und Chloroplasten (Pflanzen) zu synthetisieren, wo es als Antioxidans wirkt. Die anderen Funktionen von Melatonin, u.a. die Funktionsweisen seiner zahlreichen Rezeptoren, entwickelten sich erst später in der Evolution. Bei den heutigen Tieren wirkt Melatonin über rezeptorvermittelte Mechanismen auf die Schlafregulation, moduliert die zirkadianen Rhythmen, stärkt die Immunität, wirkt als multifunktionales Onkostatikum usw. Dabei behält es seine Fähigkeit, oxidativen Stress durch teilweise rezeptorunabhängige Prozesse zu reduzieren.
In Pflanzen wirkt Melatonin noch immer reduzierend auf oxidativen Stress und stimuliert zudem Keimung und Wachstum von Samen, verbessert die Stressresistenz, stimuliert das Immunsystem und moduliert die zirkadianen Rhythmen. Bei Landpflanzen wurde ein einzelner Melatoninrezeptor identifiziert, der die Schließung der Stomata auf Blättern steuert. Der Melatonin-Syntheseweg unterscheidet sich geringfügig zwischen Pflanzen und Tieren. In allen Taxa ist die Aminosäure Tryptophan der notwendige Vorläufer von Melatonin. Bei Tieren wird Tryptophan zunächst zu 5-Hydroxytryptophan hydroxyliert, das dann unter Bildung von Serotonin decarboxyliert wird. Serotonin wird entweder zu N-Acetylserotonin acetyliert oder zu 5-Methoxytryptamin methyliert. Aus diesen Produkten entsteht durch Methylierung oder Acetylierung Melatonin. In Pflanzen wird Tryptophan zunächst zu Tryptamin decarboxyliert, das dann zu Serotonin hydroxyliert wird.