Cursó la escuela elemental en la Ciudad de México, y a la edad de once años sus padres lo enviaron a estudiar a Suiza. En 1960 ingresó a la Facultad de Química de la UNAM para estudiar ingeniería química. En 1965, después de graduarse, prosiguió sus estudios de posgrado en la Universidad de Friburgo (Alemania),donde pasó casi dos años investigando en cinética de polimerizaciones. Entre 1967 y 1968, pasó algunos meses en París y otros en la Ciudad de México. En 1968, ingresó al programa de doctorado en fisicoquímica de la Universidad de Berkeley (California).

      En Berkeley, se incorporó al grupo de investigación del Profesor George C. Pimentel. Molina obtuvo el doctorado en 1972, y permaneció un año más en Berkeley, antes de convertirse, en 1973, investigador asociado en la Universidad de California, Irvine, con el Profesor F. Sherwood Rowland.

      Mario Molina fue nombrado miembro del profesorado de Irvine en 1975, liderando sus propias investigaciones a partir de entonces. Después de siete años en Irvine, Molina decidió explorar la vida profesional extraacadémica, y se unió al Jet Propulsion Laboratory, en el grupo de Física y química molecular. Molina volvió a la academia en 1989, al incorporarse al Instituto Tecnológico de Massachusetts como Profesor, y adquirió ciudadanía estadounidense.

Investigaciones científicas

      Ha realizado diversas investigaciones en el ámbito de la química ambiental sobre el problema del ambiente. Molina decidió no limitar sus publicaciones a los medios científicos, sino ir más allá y usar otros medios de comunicación para alertar al público en general de sus descubrimientos e influir en las políticas públicas. Es por esto considerado como uno de los primeros científicos en alertar acerca del peligro que representan para la capa de ozono los clorofluorocarbonos empleados en aerosoles, tanto industriales como domésticos.

     En 1995 recibió el Premio Nobel de Química por sus trabajos conjuntos sobre la química de la atmósfera, especialmente sobre la formación y descomposición del ozono. Actualmente desempeña el cargo de académico de la Universidad de California, San Diego. En 2006 recibe el título honorífico de Doctor honoris causa por parte de la Universidad de Chile.

     Mario José Molina es considerado junto a Andrés Manuel del Río y Luis E. Miramontes, uno de los tres químicos mexicanos de mayor trascendencia universal.