Agomelatina è metabolicamente più stabile rispetto alla melatonina e possiede perciò una più lunga durata d’azione. La molecola si lega da agonista ai recettori MT1 e MT2 della melatonina che sono coinvolti nella regolazione fisiologica del ritmo circadiano. Si lega inoltre da antagonista ai recettori 5-HT2C e 5-HT2B della serotonina. In studi sperimentali condotti sul ratto, induce una maggiore secrezione di noradrenalina e dopamina nella corteccia cerebrale frontale. Si ritiene che l'azione combinata sui recettori melatoninergici e serotoninergici sia, con ogni probabilità, alla base dell'effetto antidepressivo. In studi condotti su volontari sani agomelatina ha dimostrato di non alterare la vigilanza diurna e la memoria.