Molina wuchs in Mexiko-Stadt auf. Einen Teil seines Studiums verbrachte er in Freiburg im Breisgau, bevor er 1972 an der Universität von Kalifornien in Berkeley promovierte. Zusammen mit seinen Kollegen Sherwood Rowland und Paul Crutzen, dem späteren Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz, warnte der Chemieingenieur schon 1974 vor der Verwendung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und sagte voraus, dass die Ozonschicht in wenigen Jahrzehnten stark abnehmen würde.
Die Vertretung der Vereinten Nationen in Mexiko würdigte Molina in einer Mitteilung als Pionier der atmosphärischen Chemie. Seine Arbeit habe das Montreal-Protokoll von 1987 möglich gemacht - ein Umweltabkommen, das die Produktion von ozonschädigenden Chemikalien weitgehend stoppte. Während der Präsidentschaft von Barack Obama in den USA gehörte Molina zu dessen Beraterrat für Wissenschaft und Technologie.