Zijn waardevolle bestanddelen zijn tot 0,8% essentiële olie, ongeveer 4% lamiaceuze tannines (waaronder rosmarinezuur en cafeïnezuur) en flavonoïden.

Citroenmelisse heeft een kalmerende, winderigheidverlichtende, krampstillende, antivirale en zwakke antibacteriële werking. Het wordt daarom vooral gebruikt bij aspecifieke maagdarmklachten, nerveuze slaapstoornissen en nerveuze hartklachten. In de volksgeneeskunde worden citroenmelissepreparaten ook gebruikt bij menopauzale klachten. Voor thuisgebruik wordt meestal een theepreparaat gebruikt; medicinaal worden gestandaardiseerde vloeibare of droge extracten en vers plantenperssap gebruikt.

Experimentele en klinische studies tonen aan dat citroenmelisse-extracten effectief zijn tegen herpes simplex-infecties (koortslip). Volgens recente Britse studies kan citroenmelisse thee het geheugen versterken en de alertheid verhogen.