Melanotan-II memiliki komposisi struktural yang unik. Asam piroglutamat terminal N-(pGlu) terbentuk melalui siklisasi gugus -amino dan -karboksil asam glutamat; struktur ini meningkatkan stabilitas peptida dan melindunginya dari degradasi oleh aminopeptidase. Histidin mengandung cincin imidazol yang menunjukkan sifat asam-basa pada pH fisiologis, memungkinkannya berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dan interaksi elektrostatis dengan molekul lain. Triptofan memiliki rantai samping cincin indole yang besar; cincin ini tidak hanya memberikan hidrofobisitas yang kuat tetapi juga memfasilitasi interaksi dengan asam amino aromatik atau molekul kecil lainnya melalui penumpukan π-π. Rantai samping serin mengandung gugus hidroksil (-CH₂OH) yang mampu berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dan berbagai reaksi enzimatik. Residu tirosin mempunyai gugus hidroksil fenolik (-CH₂C₆H₄OH) pada rantai sampingnya; kelompok ini dapat mengalami fosforilasi dan memainkan peran penting dalam interaksi protein-protein.
Penggabungan D-alanin mengubah konformasi spasial peptida; karena asam amino D-adalah enansiomer asam amino L-yang terjadi secara alami, pengaturan spasialnya yang berbeda memengaruhi keseluruhan pelipatan peptida dan pengikatan reseptor. Leusin memiliki rantai samping hidrofobik yang panjang (-CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃), yang meningkatkan hidrofobisitas peptida. Asetilasi gugus amino lisin ε-lebih meningkatkan stabilitas peptida sekaligus mempengaruhi distribusi muatannya. Kehadiran prolin menginduksi struktur kaku spesifik dalam rantai peptida; karena gugus imino membentuk struktur siklik dengan rantai samping, hal ini membatasi kebebasan rotasi rantai, sehingga berdampak signifikan pada struktur sekunder peptida. Valin memiliki rantai samping isobutil (-CH(CH₃)₂), yang juga bersifat hidrofobik. Residu asam amino ini dihubungkan secara berurutan melalui ikatan peptida (–CO–NH–); gugus karbonil (C=O) dan imino (N–H) dalam ikatan ini dapat membentuk ikatan hidrogen, sehingga menstabilkan struktur sekunder polipeptida, seperti lembaran -dan -heliks. Dalam keseluruhan struktur, interaksi antara berbagai gugus fungsi menentukan sifat kimia dan fungsi biologis Melanotan-II.