Su destacado desempeño con la selección nacional en el Campeonato Sudamericano 1953 sirvió de vitrina, siendo tentado por clubes europeos. Finalmente, Paco Molina firmó un contrato por tres años con el Club Atlético de Madrid. Debutó con los colchoneros el 13 de septiembre de 1953 ante el Español. Tras finalizar su contrato, Molina renovó por tres años más con los rojiblancos, con la condición de que su padre pudiese volver a España. Sin embargo, finalmente la cláusula no se cumplió, por lo que Molina decidió volver tras un año. Francisco cerró su ciclo con el Atlético de Madrid habiendo disputado 67 partidos, en los que marcó 33 goles.