Die Zirbeldrüse befindet sich oberhalb des Kleinhirns und nahe dem Zentrum des menschlichen Gehirns. Die Drüse ist sehr klein, weniger als 1/2 Zoll (1.27 cm) groß. Die Melatoninsynthese erfolgt in der Zirbeldrüse als Reaktion auf Lichtveränderungen. Beim Menschen reguliert diese Hormonsekretion den Schlaf und wurde mit altersbedingten Krankheiten und saisonaler affektiver Störung (SAD) in Verbindung gebracht.
Die Netzhaut im Auge übermittelt Informationen über die Lichteinwirkung an die Zirbeldrüse. Die Zirbeldrüse nutzt diese Informationen, um die biologische Uhr des Menschen zu koordinieren. Melatonin wird nachts von der Zirbeldrüse ausgeschüttet, um den Schlaf einzuleiten, während Lichteinwirkung die Melatoninproduktion hemmt. Tagsüber ist die Melatoninsekretion fast null.
Die Zirbeldrüse und Melatonin sind an saisonalen affektiven Störungen beteiligt. In den Wintermonaten in nördlichen Breiten nimmt die Sonneneinstrahlung ab. Die Abnahme des Tageslichts führt dazu, dass die Zirbeldrüse die Melatoninproduktion erhöht. Der Anstieg des Melatoninspiegels führt zu übermäßiger Schläfrigkeit, Gewichtszunahme, Müdigkeit und Depression. Wenn ein SAD-Patient künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt wird, hemmt die Melatoninproduktion und verbessert die Symptome.
Jetlag wird durch eine Störung der zirkadianen Rhythmen verursacht, die aus dem Mangel an Dunkelheit resultiert, der auftritt, wenn Fluggesellschaften über Zeitzonen hinweg die Zirbeldrüse und die Melatoninproduktion stören. Zu den Symptomen von Jetlag gehören Schlaflosigkeit, Müdigkeit und Gehirnnebel, obwohl die Einnahme von Melatoninpräparaten helfen kann, den zirkadianen Rhythmus wiederherzustellen. Bei Nachtschichtarbeitern treten Symptome auf, die dem Jetlag ähneln. Für diese Arbeiter kann das Schlafen mit Verdunkelungsvorhängen helfen, die Nachtzeit zu simulieren und die Melatoninproduktion zu induzieren.
Die Zirbeldrüse und die Melatoninproduktion verändern sich mit zunehmendem Alter. Die Melatoninproduktion nimmt ab und die Zirbeldrüse entwickelt Verkalkungen, die als Hirnsand bezeichnet werden. Melatonin ist ein starkes Antioxidans und ist an der Förderung des Enzyms Glutathionperoxidase, einem weiteren Antioxidans, beteiligt. Beide Antioxidantien verhindern Schäden durch freie Radikale. Wenn der Melatoninspiegel sinkt, können die daraus resultierenden Schäden durch freie Radikale zum Altern und altersbedingten Krankheiten beitragen.
Bei Säugetieren mit einer bestimmten Brutzeit steuern auch die Zirbeldrüse und der Melatoninspiegel die Fruchtbarkeit. Außerhalb der Brutzeit produzieren Männchen keine Spermien, da ein hoher Melatoninspiegel die Keimdrüsen hemmt. Im Frühjahr nimmt die Tageslichtmenge zu, der Melatoninspiegel sinkt und das Tier ist bereit für einen neuen Zuchtzyklus. Der Mensch erlebt keine saisonale Reproduktion, so dass der Melatoninspiegel keinen Einfluss auf die menschliche Fruchtbarkeit hat.