Molina a obtenu son doctorat à l'Université de Californie à Berkeley en 1972 sous la direction du physicien Paul J. Crutzen. Il est professeur émérite de sciences atomiques et moléculaires au Massachusetts Institute of Technology (MIT) depuis 2004, où il a commencé sa carrière en 1985.
Sa recherche initiale sur la destruction de l'ozone dans l'atmosphère terrestre a prédit que certains composés chimiques, notamment le chlorofluorocarbures (CFC), pourraient détruire cette couche protectrice importante qui filtre les rayonnements ultraviolets du soleil. Cette prédiction a été confirmée par les observations ultérieures de l'abaissement de la couche d'ozone dans les années 1980.
Molina et son collègue Paul J. Crutzen ont également prédit que l'augmentation des niveaux de gaz à effet de serre pourrait accélérer le réchauffement climatique. Leurs recherches ont aidé à stimuler les efforts mondiaux pour réduire les émissions de ces gaz, notamment en signant le Protocole de Kyoto sur les changements climatiques.
En plus de ses contributions scientifiques, Molina est également connu pour son activisme environnemental et pour ses efforts pour promouvoir la compréhension du changement climatique auprès du grand public. Il a reçu plusieurs récompenses en reconnaissance de ses contributions, dont le prix Prince des Asturies espagnol, le prix Tyler, le prix de la Fondation Tang Prize et le prix Volvo pour l'environnement. Molina est également membre de l'Académie nationale des sciences des États-Unis depuis 1994.
En 2018, il a reçu la médaille presidential de la liberté mexicaine, la plus haute décoration civile du Mexique, pour sa contribution au monde et à son pays. Mario Molina est décédé le 7 septembre 2020 à l'âge de 77 ans.