Melanotan-II wywiera swoje działanie głównie poprzez wiązanie się z receptorem melanokortyny-1 (MC1R), receptorem sprzężonym z białkiem G szeroko rozpowszechnionym na powierzchni melanocytów skóry.

Po związaniu się z MC1R, Melanotan-II aktywuje białka G, które z kolei stymulują cyklazę adenylową, prowadząc do podwyższenia wewnątrzkomórkowych poziomów cyklicznego monofosforanu adenozyny (cAMP). Działając jako drugi przekaźnik, cAMP aktywuje kinazę białkową A (PKA); PKA następnie promuje ekspresję genu tyrozynazy i aktywność tyrozynazy poprzez fosforylację szeregu dalszych białek docelowych. Tyrozynaza jest kluczowym enzymem w melanogenezie, katalizującym stopniowe utlenianie tyrozyny do DOPA, a następnie do melaniny. Ponadto melanotan-II może wpływać na proliferację, różnicowanie melanocytów oraz syntezę i wydzielanie melaniny poprzez modulowanie innych szlaków sygnałowych, takich jak szlak fosfolipaza C (PLC) – kinaza białkowa C (PKC).

Stwierdzono, że poza wpływem na melanocyty Melanotan-II moduluje zachowania seksualne. Podstawowe mechanizmy prawdopodobnie obejmują regulację neuroprzekaźników (takich jak dopamina i tlenek azotu) w ośrodkowym układzie nerwowym, chociaż potrzebne są dalsze badania, aby w pełni wyjaśnić te procesy.