La quimioterapia combinada es un método de tratamiento basado en el uso simultáneo de dos o más agentes terapéuticos; con frecuencia es necesaria para producir un tratamiento más eficaz para los pacientes con cáncer. Estos tratamientos combinados suelen mejorar los resultados con respecto a la monoterapia, ya que los fármacos actúan de forma sinérgica sobre vías críticas de señalización celular o actúan de forma independiente en diferentes localizaciones oncostáticas. Se ha observado un mejor pronóstico en los pacientes tratados con terapia combinada que en los tratados con quimioterapia de un solo fármaco. En las últimas décadas, el 5-fluorouracilo (5-FU) se ha convertido en uno de los agentes quimioterápicos más utilizados en el tratamiento del cáncer. Este medicamento, soluble en agua, se utiliza como agente antineoplásico de primera línea en el tratamiento de varios tipos de cáncer, como el de mama, cabeza y cuello, estómago y colon. En las últimas tres décadas, muchos estudios han investigado la melatonina como agente anticancerígeno; esta molécula presenta diversas funciones en el control del comportamiento de las células cancerosas, como la inhibición del crecimiento celular, la inducción de la apoptosis y la inhibición de la invasión. El objetivo de esta revisión es evaluar exhaustivamente el papel de la melatonina como agente complementario de la quimioterapia basada en 5-FU para el cáncer. Además, identificamos las posibles vías de señalización comunes por las que la melatonina y el 5-FU interactúan para mejorar la eficacia de la terapia combinada.