El cáncer de pulmón es el segundo más frecuente y el más letal en todo el mundo. La melatonina, una indoleamina producida en la glándula pineal, muestra efectos anticancerígenos en diversos tipos de cáncer, especialmente el de pulmón. En este trabajo se aclara la fisiopatología del cáncer de pulmón, la asociación del ritmo circadiano con el pulmón y la relación entre el trabajo por turnos y la incidencia del cáncer de pulmón. Se hace especial hincapié en el papel de los receptores de melatonina en el cáncer de pulmón, la relación entre la inflamación y el cáncer de pulmón, el control de la proliferación celular, la apoptosis, la autofagia y la inmunomodulación en el cáncer de pulmón por la melatonina. Una revisión de la sinergia farmacológica de la melatonina con otros fármacos contra el cáncer sugiere su utilidad en la terapia combinada. En resumen, la información recopilada puede servir como referencia exhaustiva de los diversos mecanismos de acción de la melatonina contra el cáncer de pulmón, como guía para el diseño de futuras investigaciones experimentales y para el avance de la melatonina como agente terapéutico para el cáncer de pulmón.