服用褪黑素后，入睡时间短，睡眠质量得到改善，并且睡眠期间的清醒次数大大减少。睡眠结果得到了调整，表现为轻度睡眠阶段缩短，深度睡眠阶段延长以及第二天早晨的唤醒阈值降低。研究发现，在异常睡眠期间（例如白天），给褪黑素一段时间可以形成新的生物节律。晚上服用褪黑素只会促进睡眠，但不会转移生物节律。
目前认为褪黑素主要用于治疗睡眠节律和失调的睡眠障碍，包括老年人的睡眠延迟综合症，时差综合症，轮班工人，盲人和脑损伤患者。
应当指出，褪黑素的作用不应被过分夸大，而应被用于治疗各种类型的睡眠障碍，例如抑郁症患者的褪黑素。我们也不应该完全否认褪黑素的治疗作用。使用褪黑素作为健康药物比使用药物更多。