La asociación entre la melatonina y el proceso del envejecimiento tiene numerosas facetas. Como antioxidante y eliminador de radicales libres, se ha comprobado que la melatonina retrasa la pérdida celular en las enfermedades en las que intervienen los radicales libres, como son las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson. El péptido amiloide-beta, importante componente neural de la enfermedad de Alzheimer, genera radicales libres que matan neuronas, conduciendo a la demencia. Utilizando melatonina, nosotros y otros autores hemos demostrado, en modelos experimentales de la enfermedad de Alzheimer, que la melatonina reduce notablemente la toxicidad del péptido amiloide-beta y preserva la función neuronal. En trabajos en los que se administró melatonina a pacientes de la enfermedad de Alzheimer se atenuó la progresión de la enfermedad y mejoraron los procesos mentales de los pacientes.

En el Parkinsonismo experimental se han comprobado efectos beneficiosos similares de la melatonina. Así, la pérdida de neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra del cerebro debida a drogas como MPTP, que generan radicales libres con la subsiguiente muerte de neuronas que contienen dopamina, se atenúa si se administran junto a melatonina.

Otra afectación neural en la que se ha visto ser la melatonina muy beneficiosa es la lesión isquemia/reperfusión. La hipoxia transitoria seguida por hiperoxia conduce a la formación de radicales libres que destruyen el tejido neural. Si se administra melatonina durante un episodio isquemia/ reperfusión se inhibe el tamaño de la lesión neural y mejora la evolución.

Otras enfermedades relacionadas con la edad, como el cáncer, así como el propio proceso del envejecimiento, incluyen la acción de los radicales libres. Como consecuencia, se ha demostrado que la melatonina también puede impedir estos procesos. Como la producción de la melatonina endógena disminuye con la edad, se comprueba, como consecuencia, la progresión de las enfermedades relacionadas con la edad.