Melanotan-II possui uma composição estrutural única. O ácido piroglutâmico N-terminal (pGlu) é formado através da ciclização dos grupos -amino e -carboxila do ácido glutâmico; esta estrutura aumenta a estabilidade do peptídeo e o protege da degradação pelas aminopeptidases. A histidina contém um anel imidazol que exibe propriedades ácido-base em pH fisiológico, permitindo-lhe participar de ligações de hidrogênio e interações eletrostáticas com outras moléculas. O triptofano apresenta uma cadeia lateral volumosa do anel indol; este anel não apenas confere forte hidrofobicidade, mas também facilita interações com outros aminoácidos aromáticos ou moléculas pequenas através do empilhamento π-π. A cadeia lateral da serina contém um grupo hidroxila (-CH₂OH) capaz de participar de ligações de hidrogênio e de várias reações enzimáticas. O resíduo de tirosina contém um grupo hidroxila fenólico (-CH₂C₆H₄OH) em sua cadeia lateral; esse grupo pode sofrer fosforilação e desempenha um papel crucial nas interações proteína-proteína.
A incorporação de D-alanina altera a conformação espacial do peptídeo; como D-aminoácidos são enantiômeros de L-aminoácidos que ocorrem naturalmente, seus arranjos espaciais distintos influenciam o dobramento geral do peptídeo e a ligação ao receptor. A leucina possui uma longa cadeia lateral hidrofóbica (-CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃), o que aumenta a hidrofobicidade do peptídeo. A acetilação do grupo ε-amino da lisina aumenta ainda mais a estabilidade do peptídeo, ao mesmo tempo que influencia sua distribuição de carga. A presença de prolina induz uma estrutura rígida específica dentro da cadeia peptídica; como o grupo imino forma uma estrutura cíclica com a cadeia lateral, ele restringe a liberdade rotacional da cadeia, impactando significativamente a estrutura secundária do peptídeo. A valina apresenta uma cadeia lateral isobutil (-CH(CH₃)₂), que também é de natureza hidrofóbica. Esses resíduos de aminoácidos estão ligados sequencialmente por meio de ligações peptídicas (–CO–NH–); os grupos carbonila (C=O) e imino (N – H) dentro dessas ligações podem formar ligações de hidrogênio, estabilizando as estruturas secundárias do polipeptídeo, como -folhas e -hélices. Dentro da estrutura geral, as interações entre vários grupos funcionais determinam as propriedades químicas e funções biológicas do Melanotan-II.