Nació en la Ciudad de México en 1943 y es ingeniero químico egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México (1965); posteriormente realizó estudios de posgrado en la Universidad de Friburgo, Alemania (1967) y recibió un doctorado en Fisicoquímica de la Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos (1972).

Es un pionero y uno de los principales investigadores a nivel mundial de la química atmosférica. Fue coautor, junto con F.S. Rowland en 1974, del artículo original prediciendo el adelgazamiento de la capa de ozono como consecuencia de la emisión de ciertos gases industriales, los clorofluorocarburos (CFCs), que les mereció el Premio Nobel de Química. Asimismo, sus investigaciones y publicaciones sobre el tema condujeron al Protocolo de Montreal de las Naciones Unidas, el primer tratado internacional que ha enfrentado con efectividad un problema ambiental de escala global y de origen antropogénico.

El Profesor Molina y su grupo de investigación publicaron una serie de artículos entre 1976 y 1986 que identificaron las propiedades químicas de compuestos que juegan un papel esencial en la descomposición del ozono de la estratosfera. Subsecuentemente demostraron en el laboratorio la existencia de una nueva clase de reacciones químicas que ocurren en la superficie de partículas de hielo incluyendo aquellas que están presentes en la atmósfera. También propusieron y demostraron en el laboratorio una nueva secuencia de reacciones catalíticas que explican la mayor parte de la destrucción del ozono en la estratosfera polar.

Fue profesor en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en el periodo 1989-2004; profesor e investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México entre 1967 y 1968; de la Universidad de California, Irvine, entre 1975 y 1979 y del Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto Tecnológico de California (CALTECH) en el periodo 1982 a 1989.

El Profesor Molina es miembro de la Academia Nacional de Ciencias y del Instituto de Medicina de los Estados Unidos, y desde abril de 2011 es uno de los 21 científicos que forman parte del Consejo de Asesores de Ciencia y Tecnología del Presidente Barack Obama (PCAST).

Igualmente, el Profesor Molina es miembro distinguido de la Pontificia Academia de las Ciencias del Vaticano, de El Colegio Nacional, la Academia Mexicana de Ciencias y la Academia Mexicana de Ingeniería, entre otras. Por su labor y contribución a la Ciencia ha recibido numerosos galardones, incluyendo más de 30 doctorados Honoris Causa, el Premio Tyler de Energía y Ecología en 1983, el Premio Sasakawa de las Naciones Unidas en 1999 y el Premio Nobel de Química en 1995.

Actualmente, el Profesor Molina es investigador de la Universidad de California en San Diego (UCSD), donde forma parte del Departamento de Química y Bioquímica y del Instituto de Oceanografía SCRIPPS, una de las instituciones líderes en la investigación de los fenómenos asociados al Cambio Climático.

En México, preside desde 2005 un centro de investigación y promoción de políticas públicas que lleva su nombre, donde realiza estudios estratégicos sobre energía y medio ambiente, particularmente en los campos de cambio climático y calidad del aire.

El Dr. Molina ha investigado la química de la contaminación atmosférica en la baja atmósfera y está involucrado en trabajos interdisciplinarios colaborando con expertos para enfrentar el problema de la degradación de la calidad del aire en las grandes ciudades del planeta, especialmente grupos de contaminantes del aire en zonas urbanas, realizando importantes aportes al conocimiento y la solución de la contaminación atmosférica de la Zona Metropolitana del Valle de México.

Recientemente, el Dr. Molina ha enfocado gran parte de su labor a la política de la ciencia conectada con el creciente problema del cambio climático e impulsando acciones globales a favor del desarrollo sustentable.

El Dr. Molina es miembro de El Colegio Nacional desde el 24 de abril del 2003.