Większość melatoniny stosowanej w 2011 roku jest wytwarzana syntetycznie, chociaż istnieje wiele naturalnych źródeł melatoniny. Hormon ten jest wytwarzany w części mózgu zwanej szyszynką. Występuje również u innych zwierząt dobowych, regulując cykl snu tak, że zwierzęta te śpią w nocy i nie śpią w ciągu dnia. Melatonina może być pozyskiwana z mózgów tych zwierząt i stosowana w suplementach melatoniny. Alternatywy na bazie roślin są sprzedawane jako naturalne, chociaż te suplementy nie zawierają melatoniny.
Melatonina powstaje w mózgu w odpowiedzi na naturalny cykl dnia i nocy. U większości ludzi wystarczająca ilość tego hormonu jest wytwarzana naturalnie, aby z powodzeniem rozpocząć cykl snu, chociaż poziom melatoniny może spaść zimą i wraz z wiekiem osoby.
Zwierzęta, które nie śpią w ciągu dnia i śpią w nocy, również produkują melatoninę, która reguluje ten cykl. Jedyne naturalne źródło melatoniny, które można wykorzystać w medycynie, pochodzi z szyszynki tych zwierząt. Pochowany głęboko w mózgach krów, owiec i innych zwierząt dobowych, szyszynka może zostać pobrana i wyekstrahowana melatonina. Chociaż reszta zwierzęcia nie jest marnowana, zbieranie tego gruczołu nie jest opłacalnym procesem. Ponadto wirusy znajdujące się w mózgach zwierząt mogą powodować choroby u ludzi, więc naturalna melatonina pozyskiwana ze źródeł zwierzęcych nie jest już powszechnie stosowana.
W dzisiejszych czasach naturalna melatonina nie jest dostępna w większości krajów świata. Firmy, które pakują ten lek jako naturalny, zwykle używają syntetycznej melatoniny, która nie zawiera konserwantów, barwników ani dodatków. Ten rodzaj melatoniny jest wytwarzany w laboratorium i nie pochodzi z naturalnych źródeł.
Oprócz prawdziwej melatoniny istnieje wiele ziołowych alternatyw, które są czasami określane jako naturalna melatonina. W niektórych lekach zamiast melatoniny pochodzenia zwierzęcego stosuje się ekstrakty z roślin z rodziny traw. Ekstrakty te są często oznaczane jako „Gramineae”, czyli rodzina roślin, w której występują te trawy.
Melatonina syntetyczna i naturalna jest często stosowana przez osoby mające problemy ze snem. Może pomóc ludziom szybciej przezwyciężyć jet lag, a także tym, którzy mają długotrwałe problemy ze snem. Ponieważ wraz z wiekiem zmniejsza się produkcja melatoniny w szyszynce, można uzupełnić naturalną podaż tego hormonu za pomocą pigułki melatoniny.