Jesienią 1973 rozpoczął staż podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, pod kierunkiem F. Sherwooda Rowlanda. Spośród kilku zaproponowanych przez Rowlanda tematów badawczych, Molina zdecydował się na dotyczący freonów, związków kumulujących się w atmosferze, a uważanych wówczas za niemające wpływu na środowisko. Rowland i Molina stwierdzili, że freony mogą ulegać destrukcji w atmosferze, a uwalniany z nich chlor katalizuje rozpad cząsteczki ozonu. Pierwsze wyniki badań opublikowali w „Nature” już w 1974.
W późniejszych latach pracował kolejno w Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Massachusetts Institute of Technology, na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego na wydziale chemii i w Instytucie Oceanografii im. Scrippsa.
W 1995 otrzymał, wraz z Paulem Crutzenem (który kilka lat wcześniej opisał wpływ tlenku azotu na warstwę ozonową) i Franklinem Sherwoodem Rowlandem, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za wkład w badania chemii atmosfery, zwłaszcza procesów powstawania i destrukcji warstwy ozonowej (tj. występowania tzw.