Os receptores de melatonina podem ser divididos em várias categorias. A primeira diferenciação é entre os receptores de melatonina 1 e 2 (ML1 e ML2), cada um dos quais tem sua própria localização específica e, em parte, também sua própria função específica. Ambas são membranas no exterior das quais a melatonina é capaz de ser depositada. Quando este tipo de ligação ocorre, uma série de processos dentro das células são acionados por determinadas proteínas G, resultando nos efeitos da melatonina sobre a célula. Há também uma terceira categoria de receptores que não são depositados sobre a membrana celular, mas posicionados dentro dela. Esta categoria de receptores, entretanto, só se encontra em certas espécies animais e não desempenha um papel significativo no ser humano.

Os receptores da melatonina 1 e 2 mencionados acima estão presentes na estrutura de células específicas em vários órgãos. A informação temporal, que é baseada na concentração variável de melatonina, é transmitida aos tecidos e a todo o organismo.

Em certas áreas do cérebro encontra-se a maior densidade de receptores de melatonina. Curiosamente, em cada espécie, a distribuição dos receptores de melatonina é muito diferente. Por exemplo, em roedores e mamíferos, os receptores encontram-se principalmente nas áreas que controlam o relógio biológico e as funções das gônadas (órgãos necessários para a produção de hormônios sexuais para a reprodução), enquanto que em humanos, além do relógio biológico que contém a maioria deles, os receptores são encontrados no cerebelo e no córtex cerebral, mas não nas áreas que controlam as funções das gônadas. Isto confirma que a função da melatonina mudou ao longo da evolução e que nem todas as descobertas das espécies animais podem ser automaticamente  consideradas aplicáveis para os seres humanos.

Além dos receptores no cérebro, muitos outros locais de ligação foram descobertos em órgãos periféricos, tais como o pâncreas, fígado, olhos, epiderme, certos vasos sanguíneos, o trato intestinal e partes das gônadas. A função exata desses receptores ainda é objeto de ampla pesquisa. O que é certo é que estes locais de ligação ajudam a conectar o ritmo dia/noite com funções orgânicas específicas. Por outro lado, a melatonina também deve ter a função adicional, para simplificar, de ‘regular’ e ‘sincronizar’ a interação entre os diferentes órgãos.

Além de sua função como transmissor receptor, como descrito acima, a melatonina também possui poder antioxidante. Neste caso, não requer locais específicos de ligação, mas atua como um poderoso recolhedor de radicais livres. Neste caso, os resultados de testes com animais podem ser transferidos diretamente para humanos, já que esta função é apenas o resultado da estrutura molecular da melatonina: tendo acesso a cada célula, a melatonina pode proteger todos os órgãos assim que entra neles. Dado que este hormônio é produzido principalmente à noite e que pode penetrar facilmente na barreira hemato-encefálica, seu papel durante o sono à noite pode ser descrito como preventivo contra distúrbios oxidativos tanto dentro das células nervosas cerebrais quanto em outros órgãos. Isto também nos ajuda a compreender os numerosos efeitos positivos da melatonina que não estão diretamente ligados à sua interação com certos receptores, mas são fortes em sua capacidade antioxidante, tanto no organismo humano quanto no animal.