Melanotan-II té una composició estructural única. L'àcid piroglutàmic N-terminal (pGlu) es forma mitjançant la ciclització dels grups -amino i -carboxil de l'àcid glutàmic; aquesta estructura millora l'estabilitat del pèptid i el protegeix de la degradació per les aminopeptidases. La histidina conté un anell d'imidazol que presenta propietats àcid-base a pH fisiològic, cosa que li permet participar en enllaços d'hidrogen i interaccions electrostàtiques amb altres molècules. El triptòfan presenta una cadena lateral d'anell d'indol voluminosa; aquest anell no només confereix una forta hidrofobicitat sinó que també facilita les interaccions amb altres aminoàcids aromàtics o molècules petites mitjançant l'apilament π-π. La cadena lateral de la serina conté un grup hidroxil (-CH₂OH) capaç de participar en enllaços d'hidrogen i en diverses reaccions enzimàtiques. El residu de tirosina porta un grup hidroxil fenòlic (-CH₂C₆H₄OH) a la seva cadena lateral; aquest grup pot patir fosforilació i té un paper crucial en les interaccions-proteïnes.
La incorporació de D-alanina altera la conformació espacial del pèptid; com els D-aminoàcids són enantiòmers dels L-aminoàcids naturals, els seus diferents arranjaments espacials influeixen en el plegament global del pèptid i la unió al receptor. La leucina posseeix una llarga cadena lateral hidrofòbica (-CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃), que augmenta la hidrofobicitat del pèptid. L'acetilació del grup amino ε-lisina millora encara més l'estabilitat del pèptid alhora que influeix en la seva distribució de càrrega. La presència de prolina indueix una estructura rígida específica dins de la cadena peptídica; com que el grup imino forma una estructura cíclica amb la cadena lateral, restringeix la llibertat de rotació de la cadena, afectant significativament l'estructura secundària del pèptid. La valina presenta una cadena lateral d'isobutil (-CH(CH₃)₂), que també és de naturalesa hidròfoba. Aquests residus d'aminoàcids s'uneixen seqüencialment mitjançant enllaços peptídics (–CO–NH–); els grups carbonil (C=O) i imino (N–H) dins d'aquests enllaços poden formar enllaços d'hidrogen, estabilitzant les estructures secundàries del polipèptid, com ara -fulls i -hèlixs. Dins de l'estructura global, les interaccions entre diversos grups funcionals determinen les propietats químiques i les funcions biològiques de Melanotan-II.