Výchozí sloučeninou v syntéze melfalanu 2 je ethylester L-fenylalaninu, ze kterého se nitrací a následnou reakcí s ftalanhydridem (chránění aminoskupiny) připraví ethyl-4-nitro-N-
-ftaloyl-L-fenylalaninat 5. Redukcí nitroskupiny se získá aminoderivát, který s oxiranem poskytne bis(2-hydroxyethyl)aminoderivát 6. Ten se reakcí s oxychloridem fosforečným převede na bis(2-chlorethyl)derivát 7. Posledním stupněm syntézy je hydrolýza esteru
a deprotekce aminoskupiny. Z hydrochloridu melfalanu se uvolní báze pomocí octanu sodného.