Melanotan-II possiede una composizione strutturale unica. L'acido piroglutammico N-terminale (pGlu) si forma attraverso la ciclizzazione dei gruppi -ammino e -carbossilico dell'acido glutammico; questa struttura migliora la stabilità del peptide e lo protegge dalla degradazione da parte delle aminopeptidasi. L'istidina contiene un anello imidazolico che presenta proprietà acido-base a pH fisiologico, consentendogli di partecipare ai legami idrogeno e alle interazioni elettrostatiche con altre molecole. Il triptofano presenta una voluminosa catena laterale ad anello indolico; questo anello non solo conferisce una forte idrofobicità ma facilita anche le interazioni con altri amminoacidi aromatici o piccole molecole tramite l'impilamento π-π. La catena laterale della serina contiene un gruppo ossidrile (-CH₂OH) in grado di partecipare ai legami idrogeno e a varie reazioni enzimatiche. Il residuo di tirosina porta un gruppo idrossile fenolico (-CH₂C₆H₄OH) sulla sua catena laterale; questo gruppo può subire fosforilazione e svolge un ruolo cruciale nelle interazioni proteina-proteina.
L'incorporazione della D-alanina altera la conformazione spaziale del peptide; poiché i D-amminoacidi sono enantiomeri degli L-amminoacidi presenti in natura, le loro distinte disposizioni spaziali influenzano il ripiegamento complessivo del peptide e il legame ai recettori. La leucina possiede una lunga catena laterale idrofobica (-CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃), che aumenta l'idrofobicità del peptide. L'acetilazione del gruppo amminico ε- della lisina migliora ulteriormente la stabilità del peptide influenzandone anche la distribuzione della carica. La presenza di prolina induce una specifica struttura rigida all'interno della catena peptidica; poiché il gruppo imminico forma una struttura ciclica con la catena laterale, limita la libertà di rotazione della catena, influenzando in modo significativo la struttura secondaria del peptide. La valina presenta una catena laterale isobutile (-CH(CH₃)₂), anch'essa di natura idrofobica. Questi residui amminoacidici sono collegati sequenzialmente tramite legami peptidici (–CO–NH–); i gruppi carbonile (C=O) e immino (N–H) all'interno di questi legami possono formare legami idrogeno, stabilizzando le strutture secondarie del polipeptide, come -fogli ed -eliche. All'interno della struttura complessiva, le interazioni tra vari gruppi funzionali determinano le proprietà chimiche e le funzioni biologiche di Melanotan-II.