Melanotan-II avaldab oma toimet peamiselt seondudes melanokortiin-1 retseptoriga (MC1R), G-valguga seotud retseptoriga, mis on laialt levinud naha melanotsüütide pinnal.

Seondudes MC1R-ga aktiveerib Melanotan-II G-valke, mis omakorda stimuleerivad adenülüültsüklaasi, mis viib tsüklilise adenosiinmonofosfaadi (cAMP) rakusisese taseme tõusuni. Teise sõnumitoojana toimides aktiveerib cAMP proteiinkinaasi A (PKA); Seejärel soodustab PKA türosinaasi geeni ekspressiooni ja türosinaasi aktiivsust, fosforüülides mitmeid allavoolu sihtvalke. Türosinaas on melanogeneesi võtmeensüüm, mis katalüüsib türosiini järkjärgulist oksüdatsiooni DOPA-ks ja seejärel melaniiniks. Lisaks võib Melanotan-II mõjutada melanotsüütide proliferatsiooni, diferentseerumist ning melaniini sünteesi ja sekretsiooni, moduleerides muid signaaliradu, näiteks fosfolipaasi C (PLC) – proteiinkinaasi C (PKC) rada.

Lisaks melanotsüütidele avaldatavale toimele on leitud, et Melanotan{0}}II moduleerib seksuaalkäitumist. Selle aluseks olevad mehhanismid hõlmavad tõenäoliselt neurotransmitterite (nagu dopamiini ja lämmastikoksiid) reguleerimist kesknärvisüsteemis, kuigi nende protsesside täielikuks väljaselgitamiseks on vaja täiendavaid uuringuid.