El estrés salino puede afectar seriamente el crecimiento y desarrollo del maíz (L.), resultando en una gran pérdida de rendimiento. La melatonina (MT), una hormona indólica, es un potenciador potencial de la tolerancia de las plantas contra el estrés salino. Sin embargo, los complejos mecanismos de la aplicación de MT para mejorar la tolerancia al sal de maíz aún no están claros. En este estudio, se cultivaron plántulas de tres hojas de P138, susceptible al sal, y su mutante resistente al sal, etil metano sulfonato (EMS)-104, con o sin la aplicación de 150 M de MT bajo tratamientos de 0 y 100 mM de NaCO durante siete días, para explorar sistemáticamente los mecanismos de respuesta de la MT exógena en la mejora de la tolerancia al sal del maíz. Los resultados mostraron que el estrés salino provocó un aumento en la producción de especies reactivas de oxígeno, mejoró las actividades de múltiples enzimas antioxidantes, dañó la permeabilidad de la membrana celular, inhibió la acumulación de pigmentos fotosintéticos y, en última instancia, socavó la vitalidad y el poder fotosintético de las plántulas. Mientras que la aplicación adecuada de MT contrarrestó los efectos perjudiciales de NaCO en el crecimiento y la capacidad fotosintética de las plántulas, la longitud de las plántulas y la tasa fotosintética neta de P138 y EMS-104 aumentaron en un 5.5% y un 18.7%, y un 12.7% y un 54.5%, respectivamente. El análisis de PCR cuantitativa en tiempo real (qRT-PCR) mostró además que la aplicación de MT activó los niveles de expresión de genes relacionados con enzimas antioxidantes (y) y genes relacionados con la biosíntesis de pigmentos (y) en ambas plántulas de maíz bajo estrés de NaCO; luego formaron una compleja red de interacción de expresión génica, múltiples metabolismos fisiológicos y cambios fenotípicos para influir en la tolerancia al sal de las plántulas de maíz bajo estrés de MT o NaCO. En resumen, estas observaciones subrayan que 150 M de MT puede aliviar el daño salino de las plántulas de maíz, lo que puede proporcionar nuevas perspectivas para investigar más a fondo los mecanismos de regulación de MT para mejorar la resistencia al sal de las plántulas de maíz.