El entorno de crecimiento adecuado para la quinua son las áreas de gran altitud. En los últimos años, la quinua también se ha cultivado gradualmente en otras regiones con exposición a altas temperaturas. El estrés por alta temperatura representa una limitación potencial para la calidad y el rendimiento de la quinua al afectar a los pigmentos, la fotosíntesis y los metabolitos. Este estudio tuvo como objetivo investigar el efecto de la melatonina exógena (MT) en la mitigación del estrés por calor en la quinua en condiciones controlables. Las temperaturas día/noche se mantuvieron a 35/25 grados Celsius en una cámara climática, y se realizó la pulverización foliar utilizando concentraciones de melatonina (MT) de 0, 50, 100 y 200 mol L. Las temperaturas día/noche se mantuvieron a 25/15 grados Celsius en otra cámara climática como prueba comparativa. Nuestros resultados demostraron que la alta temperatura disminuyó los niveles de pigmentos fotosintéticos y los valores de la tasa fotosintética (P), la conductancia estomática (g) y la tasa de transpiración (T). Además, también influyó en la acumulación de polifenoles y alteró la actividad de polifenol oxidasa (PPO) en la variedad de quinua roja (RQ). Se observaron reducciones evidentes en los parámetros de intercambio gaseoso y metabolitos, incluidos los flavonoides, antocianinas y PPO, tanto en la variedad BQ como en la variedad WQ. Sin embargo, la aplicación de 100 mol L de MT aumentó significativamente los niveles de pigmentos fotosintéticos, los valores de P, g y T, y la actividad de PPO, así como los contenidos de flavonoides y antocianinas en la variedad RQ. La aplicación de 50 mol L de MT solo provocó un aumento en las concentraciones de Chl a, Chl (a + b) y flavonoides, así como la actividad de PPO, mientras que 100 mol L de MT aumentó significativamente los valores de P, g y T y la actividad de PPO. Además, 200 mol L de MT contribuyó a la síntesis de antocianinas y polifenoles, y aumentó la actividad de PPO en la variedad BQ. La aplicación de 50 mol L de MT limitó el aumento en los contenidos de polifenoles totales, flavonoides y antocianinas, así como la actividad de PPO, en la variedad WQ. Los hallazgos demostraron que la fotosíntesis y la síntesis de metabolitos en la quinua bajo altas temperaturas dependen de una respuesta interactiva entre la variedad y los niveles de melatonina. Se encontró que la aplicación de 100 mol L de MT es óptima para mitigar los efectos adversos de la alta temperatura en la fotosíntesis y los metabolitos en la variedad RQ durante la producción real.