Марио Молина окончил частную школу Institut auf dem Rosenberg в Швейцарии, затем Национальный автономный университет Мехико в 1965 году со степенью бакалавра в химической инженерии, далее до 1967 года учился в Университете Фрайбурга (Фрайбург), а в 1972 году закончил диссертацию по химии в Калифорнийском университете в Беркли. Работая в Калифорнийском университете в Ирвайне, Молина и Шервуд Роуланд показали опасность воздействия галогеналканов на озоновый слой в стратосфере. С 2004 года Молина работает в Калифорнийском университете в Сан-Диего.