A Mexikóvárosban felnőtt Molina tanulmányai egy részét a németországi Freiburgban végezte, majd 1972-ben a Kaliforniai Egyetemen doktorált.

Molina és kollégái, Sherwood Rowland és Paul Crutzen már 1974-ben a halogénezett szénhidrogének használatának (CFC-k) veszélyére hívták fel a figyelmet és megjósolták, hogy az ózonréteg néhány évtizeden belül erőteljesen megfogyatkozik.

Az ENSZ mexikói képviselete közleményében a légköri kémia úttörőjeként emlékezett meg Molináról. Munkája tette lehetővé az 1987-es montreali jegyzőkönyv megvalósulását, amely az ózont bontó CFC-k kibocsátásának korlátozására jött létre.

Molina tudományos munkájáért 1995-ben kapta meg kollégáival a Nobel-díjat.

Barack Obama elnöksége alatt Molina az Egyesült Államok tudományos és technológiai tanácsadó testületének tagja volt.