Las bajas temperaturas y la salinización del suelo durante la siembra y el desarrollo de plántulas de algodón afectan negativamente la productividad del algodón. La melatonina exógena (MT) puede aliviar el daño causado a las plantas bajo estrés no biológico; por lo tanto, aplicar MT es un medio para mejorar las condiciones de crecimiento de los cultivos bajo estrés. Sin embargo, lograr este objetivo requiere una comprensión profunda de los mecanismos regulatorios fisiológicos de la MT en las plántulas de algodón bajo estrés por bajas temperaturas y salinidad. Este estudio podría aportar nuevos conocimientos sobre los mecanismos fisioquímicos que mejoran la tolerancia de las plántulas de algodón a los efectos combinados del estrés por bajas temperaturas y sal. El experimento en fitotrón comprendió dos niveles de temperatura de estrés por frío y control, y cinco tratamientos de MT de 0, 50, 100, 150 y 200 M, y dos niveles de salinidad de 0 y 150 mM de NaCl. En comparación con los tratamientos de control (estrés por salinidad no bajo estrés por frío y control), el estrés combinado de sal y baja temperatura redujo la biomasa y la tasa fotosintética neta de las plántulas de algodón, agravó el daño a la membrana, redujo el contenido de potasio (K) y aumentó la acumulación de sodio (Na) en las hojas y raíces. Bajo estrés por NaCl, la aplicación exógena de 50-150 M de MT aumentó la biomasa y los parámetros de intercambio de gases de las plántulas de algodón bajo estrés combinado de sal y baja temperatura, redujo el grado de daño a la membrana y reguló la enzima antioxidante, la homeostasis iónica, el transporte y la absorción de las plántulas de algodón. El análisis de correlación por pares de cada parámetro utilizando MT muestra que los parámetros con mayor correlación con MT en estrés por frío son principalmente el malondialdehído (MDA), la peroxidasa (POD) y la catalasa (CAT). El coeficiente de correlación más alto a 25 grados C se observa entre el contenido de K y Na en las plántulas de algodón. La conclusión indica que bajo condiciones de estrés por sal y bajas temperaturas, la aplicación exógena de MT regula principalmente los niveles de SOD y POD en las plántulas de algodón, reduce el contenido de Na y MDA, y alivia el daño a las plántulas de algodón. Además, el efecto más significativo se observó cuando se administró una aplicación exógena de 50-150 M de MT bajo estas condiciones. Los hallazgos del estudio actual podrían servir como una base científica para la mitigación del estrés por salinidad y bajas temperaturas durante la etapa de plántula del crecimiento del algodón.