El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la administración local de melatonina (MLT) en biomarcadores moleculares y defectos óseos críticos en la calvaria de ratas hembras con o sin osteoporosis, asociada o no a un biomaterial xenogénico. Cuarenta y ocho ratas hembras fueron divididas aleatoriamente en dos grupos: (O) ovariectomizadas y (S) grupo placebo. Después de 45 días de inducción de osteoporosis, se crearon dos defectos de tamaño crítico (5 mm de diámetro) en la calvaria. Los grupos se subdividieron según el siguiente tratamiento: (C) Coágulo, MLT, MLT asociado con Bio-Oss (MLTBO) y Bio-Oss (BO). Después de 45 días, se recolectaron y procesaron las muestras de los defectos para microtomografía, histomorfometría y análisis biomolecular (Col-I, BMP-2 y OPN). Todos los animales tuvieron un fémur extraído para confirmar la osteoporosis. El análisis de microtomografía demostró una reducción en la densidad mineral ósea en el grupo O. En cuanto a la curación ósea, el grupo S presentó un mayor llenado de los defectos que el grupo O; sin embargo, en el grupo O, los defectos tratados con MLT mostraron un mayor llenado mineral que los otros tratamientos. No hubo diferencia entre los tratamientos realizados en el grupo S ( = 0.05). Por otro lado, O-MLT tuvo un hueso neoformado mayor que en los otros grupos ( = 0.05). Los grupos que no recibieron biomaterial demostraron niveles más bajos de secreción de Col-I; S-MLT y S-MLTBO presentaron niveles más altos de OPN, mientras que O-C presentó resultados estadísticamente más bajos ( < 0.05); O-BO mostró una mayor secreción de BMP-2 ( < 0.05). En presencia de osteoporosis inducida por ovariectomía, el tratamiento con MLT aumentó el área de hueso recién formado, reguló la respuesta inflamatoria y aumentó la expresión de OPN.