Der Möllbach entspringt im mittleren Pfälzerwald am nördlichen Fuß des Möllbergs auf einer Höhe von etwa 362 m ü. NHN der Möllbach-Quelle.
Er fließt zunächst etwa 700 m in ostnordöstlicher Richtung durch ein enges, reich mit Mischwald bestandenes Tal zwischen dem Möllberg im Süden und dem Grundwieser Eck (407,7 m) im Norden.
Er erreicht dann den Westrand von Elmstein, wo er sich in zwei Mündungsarme aufteilt. Der linke Arm passiert die ersten Häuser der Straße Am Ehrenfels, um danach in den Speyerbach zu fließen. Der rechte Arm schlägt kurz vor der Bebauung einen Bogen und läuft danach südostwärts knapp 300 m parallel zum Speyerbach. Er speist den Möllbachweiher und mündet schließlich in Elmstein auf einer Höhe von etwa 226 m von rechts in den aus Norden kommenden oberen Speyerbach.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Speyerbachs steht etwa 90 m südsüdöstlich der Möllbachmündung die Ruine der Burg Elmstein und etwas westlich der Ruine die Wappenschmiede Elmstein.
Der etwa 1,1 km lange Lauf des Möllbachs endet ungefähr 136 Höhenmeter unterhalb seiner Quelle, er hat somit ein mittleres Sohlgefälle von etwa 12 %.
