Melatoniini opittiin 80-luvulla tuntemaan erityisesti kaamosmasennuksen mahdollisena avaintekijänä. Kaamosmasennuksen havaittiin liittyvän melatoniinierityksen vuorokausirytmin häiriintymiseen. Viime vuosina on havaittu, että myös melatoniinin kokonaiserityksellä voi olla merkitystä monissa sairauksissa. On saatu viitteitä siitä, että rintasyöpä, iskeeminen sydänsairaus sekä mm. MS-tauti olisivat yhteydessä vähentyneeseen melatoniinieritykseen. Toisaalta melatoniinierityksen vähentyminen näyttäisi lievittävän mm. Parkinsonin taudin oireita ja vähentävän epileptisten kohtausten lukumäärää. Melatoniinia koskeva tutkimustyö on kuitenkin vielä alkuvaiheessaan ja tähän mennessä saatuihin tuloksiin on suhtauduttava varauksella.