Maternal obesity has deleterious effects on oocyte genome methylation establishment, yet the underlying mechanisms remain unclear. In the present study, we first find that maternal obesity induced by high-fat diet (HFD) disturbs genomic methylation in oocytes, and at least a part of the altered methylation is transmitted to F2 oocytes and livers via females. We further identified that altered metabolites such as methionine and melatonin may play a key role in the re-methylation establishment in oocytes of obese mice. Exogenous melatonin treatment significantly reduces the hyper-methylation of HFD oocytes. The higher expression of DNMT3a and DNMT1 in HFD oocytes is also decreased by melatonin supplement, which may be mediated by cAMP/PKA/CREB pathway. These results suggest that maternal obesity-induced genomic methylation alterations in oocytes, can be partly transmitted to F2 in females, and that melatonin is involved in regulating the hyper-methylation of HFD oocytes via increasing the expression of DNMTs mediated by cAMP/PKA/CREB pathway.