Melanotan-II har en unik strukturell sammansättning. Den N-terminala pyroglutaminsyran (pGlu) bildas genom cyklisering av -amino- och -karboxylgrupperna i glutaminsyra; denna struktur förbättrar peptidens stabilitet och skyddar den från nedbrytning av aminopeptidaser. Histidin innehåller en imidazolring som uppvisar syra-basegenskaper vid fysiologiskt pH, vilket gör att den kan delta i vätebindning och elektrostatiska interaktioner med andra molekyler. Tryptofan har en skrymmande indolring sidokedja; denna ring ger inte bara stark hydrofobicitet utan underlättar också interaktioner med andra aromatiska aminosyror eller små molekyler via π-π-stapling. Serinsidokedjan innehåller en hydroxylgrupp (-CH₂OH) som kan delta i vätebindning och olika enzymatiska reaktioner. Tyrosinåterstoden bär en fenolisk hydroxylgrupp (-CH₂C6H₄OH) på sin sidokedja; denna grupp kan genomgå fosforylering och spelar en avgörande roll i protein{13}}proteininteraktioner.
Inkorporeringen av D-alanin förändrar peptidens rumsliga konformation; eftersom D-aminosyror är enantiomerer av naturligt förekommande L-aminosyror, påverkar deras distinkta rumsliga arrangemang peptidens övergripande veckning och receptorbindning. Leucin har en lång hydrofob sidokedja (-CH2CH(CH3)CH2CH3), vilket ökar peptidens hydrofobicitet. Acetyleringen av lysin ε-aminogruppen förbättrar ytterligare peptidstabilitet samtidigt som den påverkar dess laddningsfördelning. Närvaron av prolin inducerar en specifik stel struktur inom peptidkedjan; eftersom iminogruppen bildar en cyklisk struktur med sidokedjan, begränsar den kedjans rotationsfrihet, vilket signifikant påverkar peptidens sekundära struktur. Valin har en isobutylsidokedja (-CH(CH3)2), som också är hydrofob till sin natur. Dessa aminosyrarester är kopplade sekventiellt via peptidbindningar (–CO–NH–); karbonyl- (C=O)- och imino- (N–H)-grupperna inom dessa bindningar kan bilda vätebindningar, vilket stabiliserar polypeptidens sekundära strukturer, såsom -ark och -spiraler. Inom den övergripande strukturen bestämmer interaktionerna mellan olika funktionella grupper de kemiska egenskaperna och biologiska funktionerna hos Melanotan-II.