La melatonina è un forte antiossidante che può facilmente attraversare le membrane cellulari e la barriera emato-encefalica. A differenza di altri antiossidanti, la melatonina non percorre un ciclo redox, che è l'abilità di una molecola di essere soggetta a ripetute riduzioni e ossidazioni. Il ciclo redox può consentire agli altri antiossidanti (come la vitamina C) di agire come pro-ossidanti e promuovere la formazione di radicali liberi. La melatonina, una volta ossidata, non può più essere ridotta al suo stato precedente perché forma numerosi prodotti finali stabili una volta reagito con i radicali liberi. Quindi, viene definito un antiossidante terminale (o suicida).