褪黑激素的生物合成受光周期的制约。松果体在光神经的控制下，由色氨酸转化成5-羟色氨酸，进一步转化成5-羟色胺，在N-乙酰基转移酶的作用下，再转化成N-乙酰基-5-羟色胺，最后合成褪黑激素，从而使体内的含量呈昼夜节律改变。夜间褪黑激素分泌量比白天多 5～10 倍，凌晨2：00—3：00 达到峰值。褪黑激素生物合成还与年龄有很大关系，它可由胎盘进入胎儿体内，也可经哺乳授予新生儿，到三月龄时分泌量增加，并呈现较明显的昼夜节律现象，3～5岁幼儿的夜间褪黑激素分泌量最高，青春期分泌量略有下降，以后随着年龄增大而逐渐下降，到青春期末反而低于幼儿期，到老年时昼夜节律渐平缓甚至消失。

日本的一项研究表明，褪黑素极易被机体氧化而失去作用，虾青素（ASTA）可以保护褪黑素不被氧化，促进内源褪黑素的分泌，而因此用来调节时差。