Melanotan-II učinkuje predvsem tako, da se veže na receptor melanokortin-1 (MC1R), receptor, vezan na protein G, ki je široko porazdeljen na površini kožnih melanocitov.

Po vezavi na MC1R Melanotan-II aktivira proteine ​​G, ki nato stimulirajo adenilil ciklazo, kar vodi do povišanih znotrajceličnih ravni cikličnega adenozin monofosfata (cAMP). Deluje kot sekundarni posrednik, cAMP aktivira protein kinazo A (PKA); PKA nato spodbuja ekspresijo gena tirozinaze in aktivnost tirozinaze s fosforilacijo niza spodnjih ciljnih proteinov. Tirozinaza je ključni encim v melanogenezi, ki katalizira postopno oksidacijo tirozina v DOPA in nato v melanin. Poleg tega lahko Melanotan-II vpliva na proliferacijo, diferenciacijo melanocitov ter sintezo in izločanje melanina z modulacijo drugih signalnih poti, kot je pot fosfolipaza C (PLC)–protein kinaza C (PKC).

Poleg učinkov na melanocite je bilo ugotovljeno, da Melanotan-II modulira spolno vedenje. Osnovni mehanizmi verjetno vključujejo regulacijo nevrotransmiterjev (kot sta dopamin in dušikov oksid) v centralnem živčnem sistemu, čeprav so za popolno razjasnitev teh procesov potrebne nadaljnje raziskave.