Az élővilágban megfigyelhető prediktív homeosztázis a ritmikusan bekövetkező környezeti változásokhoz való, előrelátó adaptációt jelent. Ennek eklatáns példái a cirkadián ritmusok, amelyek a nappal és az éjszaka váltakozására készítik föl a szervezetet. A melatonin termelődés cirkadián ritmusa anticipálja az alvásperiódus várható időzítését és tartamát, az agyi ingerfeldolgozás alvásra jellemző üzemmódját, továbbá - megfelelő környezeti feltételek mellett - az álmosság és részben az alvás megjelenését is elősegíti. A melatonin alvásra gyakorolt hatásainak sajátosságai a lassú hullámú EEG-tevékenység csökkenése, illetve az alvási orsózásnak megfelelő EEG-tevékenység és a REM-alvás idejének fokozódása. Más hipnotikus hatású hatóanyagokhoz hasonlóan a melatonin is csökkenti a magtemperatúrát, de emellett számottevő kronobiotikus hatással is rendelkezik, amennyiben napszaktól függően gyors és erélyes cirkadián fázisváltásokat képes előidézni. Mivel a fény akutan gátolja a melatoninprodukciót, a megfelelő időzítésű és alacsony hullámhosszú komponenseket is tartalmazó fény az exogén melatonin mellett, illetve azzal kombináltan felhasználható a jet-lag szindróma és más cirkadián ritmuszavarok kezelésében.