El estrés por calor (HS) es un estrés ambiental grave que afecta negativamente al crecimiento y la productividad de los cultivos en todo el mundo. El aumento reciente de la temperatura atmosférica causado por el calentamiento global ha incrementado su intensidad, lo que representa un desafío serio que debe abordarse. El crecimiento y desarrollo de las plantas implica una serie de procesos fisiológicos, metabólicos y bioquímicos que se ven afectados negativamente por el estrés oxidativo inducido por el calor, la desorganización de las membranas celulares y la alteración de las relaciones hídricas de la planta, la absorción de nutrientes, la eficiencia fotosintética y las actividades antioxidantes. La tolerancia de las plantas a los estreses abióticos puede aumentarse sustancialmente mediante la aplicación de bioestimulantes, sin representar una amenaza para el ecosistema. La melatonina (MT) es una molécula de señalización multifuncional que tiene el potencial de proteger a las plantas de los impactos adversos del HS. La MT protege las membranas celulares, mantiene el contenido de agua en las hojas y mejora la eficiencia en el uso del agua (WUE) y la homeostasis de nutrientes; de esta manera, mejora el crecimiento y desarrollo de las plantas bajo HS. Además, la MT también mejora la expresión génica, la interacción de hormonas y osmolitos, y reduce la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) al activar el sistema de defensa antioxidante, lo que proporciona una mejor resistencia al HS. La alta MT endógena aumenta la expresión génica y las actividades antioxidantes para conferir tolerancia al HS. Por lo tanto, es importante comprender los mecanismos detallados tanto de la MT exógena como endógena, para inducir tolerancia al HS en las plantas. Esta revisión resalta las funciones versátiles de la MT en diversas respuestas de las plantas, para mejorar la tolerancia al HS. Además, también se discute la interacción de la MT con otras hormonas, el potencial antioxidante de la MT y los casos de éxito de la ingeniería de la MT para mejorar la tolerancia al HS en las plantas. Además, también se identificaron diversas lagunas de investigación que deben abordarse en futuras investigaciones utilizando esta importante molécula de señalización. Por lo tanto, esta revisión ayudará a los lectores a aprender más sobre la MT en condiciones climáticas cambiantes y proporcionará conocimientos para desarrollar tolerancia al calor en los cultivos.