I 1976 mottok Molina et forskningsstipend fra Alfred P. Sloan Foundation (Sloan Research Fellowship). I 1993 ble han innvalgt i National Academy of Sciences. Sammen med Paul Crutzen mottok han i 1994 Max-Planck-forskningsprisen, i 1998 ble han ved American Physical Society og i 2001 i American Association for the Advancement of Science. I 2003 mottok han Heinz Award og i 2004 Volvo Environment Prize. Fra 2007 var han valgt medlem av American Philosophical Society. Molina ble i 2013 tildelt den amerikanske utmerkelsen Presidentens frihetsmedalje. I 2014 mottok han Champions of Earth Award.