Melanotan-II terutama memberikan efeknya dengan mengikat reseptor melanocortin-1 (MC1R), sebuah reseptor berpasangan protein G yang didistribusikan secara luas pada permukaan melanosit kulit.

Setelah berikatan dengan MC1R, Melanotan-II mengaktifkan protein G, yang pada gilirannya menstimulasi adenilil siklase, menyebabkan peningkatan kadar siklik adenosin monofosfat (cAMP) intraseluler. Bertindak sebagai pembawa pesan kedua, cAMP mengaktifkan protein kinase A (PKA); PKA kemudian meningkatkan ekspresi gen tirosinase dan aktivitas tirosinase dengan memfosforilasi serangkaian protein target hilir. Tirosinase adalah enzim kunci dalam melanogenesis, mengkatalisis oksidasi bertahap tirosin menjadi DOPA dan selanjutnya menjadi melanin. Selain itu, Melanotan-II dapat memengaruhi proliferasi, diferensiasi, dan sintesis serta sekresi melanin dengan memodulasi jalur pensinyalan lain, seperti jalur fosfolipase C (PLC)–protein kinase C (PKC).

Selain pengaruhnya terhadap melanosit, Melanotan-II terbukti memodulasi perilaku seksual. Mekanisme yang mendasarinya kemungkinan besar melibatkan regulasi neurotransmiter (seperti dopamin dan oksida nitrat) dalam sistem saraf pusat, meskipun penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menjelaskan proses ini sepenuhnya.