Melanotan-II primarno ispoljava svoje učinke vezanjem na receptor melanokortin-1 (MC1R), receptor povezan s G proteinom široko rasprostranjen na površini kožnih melanocita.

Nakon vezanja na MC1R, Melanotan-II aktivira G proteine, koji zauzvrat stimuliraju adenilil ciklazu, što dovodi do povišenih unutarstaničnih razina cikličkog adenozin monofosfata (cAMP). Djelujući kao drugi glasnik, cAMP aktivira protein kinazu A (PKA); PKA zatim potiče ekspresiju gena tirozinaze i aktivnost tirozinaze fosforilacijom niza nizvodno ciljnih proteina. Tirozinaza je ključni enzim u melanogenezi, katalizirajući postupnu oksidaciju tirozina u DOPA-u i zatim u melanin. Uz to, Melanotan-II može utjecati na proliferaciju, diferencijaciju melanocita te sintezu i izlučivanje melanina modulacijom drugih signalnih putova, kao što je put fosfolipaze C (PLC) – protein kinaze C (PKC).

Osim učinaka na melanocite, otkriveno je da Melanotan-II modulira seksualno ponašanje. Temeljni mehanizmi vjerojatno uključuju regulaciju neurotransmitera (kao što su dopamin i dušikov oksid) unutar središnjeg živčanog sustava, iako su potrebna daljnja istraživanja kako bi se ti procesi u potpunosti razjasnili.