La melatonina es una indolamina con propiedades de amplio espectro que actúa como regulador de la respuesta antioxidante e inmune en los organismos. En nuestros estudios anteriores, la melatonina mejoró el estado redox y la respuesta inflamatoria en ovejas gestantes bajo condiciones de estrés térmico. En el presente estudio, utilizando proteómica, se evaluaron las proteínas reguladas por la melatonina durante diferentes etapas del embarazo y el parto. Veintidós ovejas, divididas en dos grupos, el grupo de melatonina (M) (n = 11) y el grupo de control (C) (n = 11), participaron en el estudio y fueron expuestas a estrés térmico durante los primeros meses de embarazo. En el grupo M, se administraron implantes de melatonina a lo largo del embarazo, cada 40 días, hasta el parto (un total de cuatro implantes por oveja). Se recogieron muestras de sangre al inicio del estudio simultáneamente con la administración del primer implante de melatonina (muestras de sangre M1, C1), apareamiento (M2, C2), segundo implante (M3, C3), cuarto implante (M4, C4) y parto (M5, C5), y se realizó un análisis MALDI-TOF. Los resultados revelaron la existencia de 42 proteínas adicionales en las muestras M2, M3 y M4 y 53 en M5 (muestra en el parto) que están vinculadas a la melatonina. Los procesos biológicos de estas proteínas se refieren a una respuesta inmune aumentada, la mitigación del estrés oxidativo y del retículo endoplásmico, el metabolismo energético, la protección del organismo materno y el desarrollo del embrión. Este análisis proteómico indica que la melatonina regula mecanismos protectores y controla la proliferación celular bajo estímulos estresantes exógenos o endógenos durante el embarazo y el parto.