Det naturligt forekommende hormon melatonin adskiller sig helt fra andre sovemidler. Stoffet har særligt været anvendt i forbindelse med regulering af døgnrytmeforstyrrelser og der er beskrevet moderat virkning hos patienter over 55 år med primær søvnløshed kendetegnet ved dårlig søvnkvalitet (melatonin depottabl. 2 mg). Melatonin udskilles fra corpus pineale. Udskillelsen er dels døgnrytmerelateret, dels styret neuronalt fra retina ved faldende lysintensitet.
Den søvnforbedrende effekt sker overvejende gennem påvirkning af melatoninreceptoren MT2, der regulerer døgnrytmen.  

Ved indtagelse sammen med eller ved afslutning af et mindre måltid opnås en forsinkelse af tidspunktet for den maksimale plasmakoncentration og derved en bedre virkning på søvnløsheden. Virkningen, der er moderat, er kun dokumenteret hos patienter over 55 år, formentlig fordi der hos denne aldersgruppe opnås en substitution af det aldersrelaterede fald i det natlige melatoninniveau. 

Melatonin har været forsøgt ved andre søvnforstyrrelser fx ved psykiatrisk og neurologisk sygdom men også ved døgnrytmeforstyrrelser, som fx ved jetlag og skifteholdsarbejde.  

I de senere år har melatonin vist sig at blive brugt til en række patientgrupper; yngre patienter med døgnrytmeforstyrrelser og søvnbesvær samt yngre og voksne patienter med neuropsykiatriske sygdomme (fx ADHD, autismespektrumforstyrrelse, demens og REM Sleep Behavior Disorder), men dokumentationen og evidensen herfor hviler på meget svagt grundlag. Bedst undersøgt er melatoninets virkninger på jetlag, hvor det især anvendes ved østvendte skift.