褪黑素是一種強大的抗氧化劑。它可以輕易的穿過細胞膜和血腦屏障，和其他抗氧化劑不同，它不參與到還原循環（Redox Cycling）中。像維生素C這種參與氧化還原循環中的抗氧化劑可能會起到促氧化劑的作用從而促進自由基的形成。褪黑素一旦被氧化就不能還原回去，因為氧化后的褪黑素會與自由基形成幾種穩定的最終產物。因此褪黑素被稱作終端抗氧化劑（terminal antioxidant） 。
