Melanotan-II oefent zijn effecten voornamelijk uit door te binden aan de melanocortine-1-receptor (MC1R), een aan G-eiwit gekoppelde receptor die wijd verspreid is op het oppervlak van melanocyten in de huid.

Na binding aan MC1R activeert Melanotan-II G-eiwitten, die op hun beurt adenylylcyclase stimuleren, wat leidt tot verhoogde intracellulaire niveaus van cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP). cAMP fungeert als een tweede boodschapper en activeert proteïnekinase A (PKA); PKA bevordert vervolgens de genexpressie van tyrosinase en de activiteit van tyrosinase door een reeks stroomafwaartse doeleiwitten te fosforyleren. Tyrosinase is een sleutelenzym bij de melanogenese en katalyseert de stapsgewijze oxidatie van tyrosine tot DOPA en vervolgens tot melanine. Bovendien kan Melanotan-II de proliferatie, differentiatie en melaninesynthese en -uitscheiding van melanocyten beïnvloeden door andere signaalroutes te moduleren, zoals de fosfolipase C (PLC)-proteïnekinase C (PKC) route.

Naast de effecten op melanocyten is gebleken dat Melanotan-II ook seksueel gedrag moduleert. De onderliggende mechanismen hebben waarschijnlijk betrekking op de regulatie van neurotransmitters (zoals dopamine en stikstofmonoxide) in het centrale zenuwstelsel, hoewel verder onderzoek nodig is om deze processen volledig op te helderen.