La melatonina es una molécula antigua que se remonta al origen de la vida. La función inicial de la melatonina fue probablemente la de captador de radicales libres. La melatonina evolucionó presumiblemente en bacterias; se ha medido tanto en α-proteobacterias como en cianobacterias fotosintéticas.
En los inicios de la evolución, las bacterias eran fagocitadas por los eucariotas primitivos por su valor nutritivo. Según la teoría endosimbiótica, las bacterias ingeridas acabaron desarrollando una asociación simbiótica con sus eucariotas huéspedes. Las α-proteobacterias ingeridas evolucionaron hasta convertirse en mitocondrias, mientras que las cianobacterias se transformaron en cloroplastos y ambos orgánulos conservaron su capacidad de producir melatonina. Dado que estos orgánulos han persistido hasta nuestros días, todas las especies que han existido o existen en la actualidad pueden haber sintetizado o seguir sintetizando melatonina en sus mitocondrias (animales y plantas) y cloroplastos (plantas), donde funciona como antioxidante. Las demás funciones de la melatonina, incluidos sus múltiples receptores, se desarrollaron más tarde en la evolución. En los animales actuales, a través de los receptores, la melatonina interviene en la regulación del sueño, la modulación de los ritmos circadianos, la mejora de la inmunidad, como agente oncostático multifuncional, etc., al tiempo que conserva su capacidad para reducir el estrés oxidativo mediante procesos que son, en parte, independientes de los receptores.
En las plantas, la melatonina sigue funcionando para reducir el estrés oxidativo, así como para promover la germinación y el crecimiento de las semillas, mejorar la resistencia al estrés, estimular el sistema inmunitario y modular los ritmos circadianos; en las plantas terrestres se ha identificado un único receptor de melatonina que controla el cierre estomático de las hojas. La vía de síntesis de la melatonina varía algo entre plantas y animales. El aminoácido triptófano es el precursor necesario de la melatonina en todos los taxones. En los animales, el triptófano se hidroxila inicialmente a 5-hidroxitriptófano, que luego se descarboxila para formar serotonina. La serotonina se acetila a N-acetilserotonina o se metila para formar 5-metoxitriptamina; estos productos se metilan o acetilan, respectivamente, para producir melatonina. En las plantas, el triptófano se descarboxila primero en triptamina, que luego se hidroxila para formar serotonina.