Nel 1973 iniziò la collaborazione con il gruppo di Sherwood Rowland (con il quale dividerà il premio Nobel).
Le ricerche si indirizzarono su un gruppo di composti chimici usati come propellenti per le bombolette spray e nelle serpentine di raffreddamento dei frigoriferi: i clorofluorocarburi (CFC).
Il 28 giugno 1974, sulla prestigiosa rivista scientifica Nature, uscì l'articolo in cui si ipotizzava che l'impoverimento dello strato di ozono dell'atmosfera fosse causato dai CFC[1].
Nel 1975 fu nominato professore all'Università della California. Nel 1982 si trasferì al Jet Propulsion Laboratory del California Institute of Technology.
Nel 1989 iniziò a lavorare al Massachusetts Institute of Technology presso il Dipartimento di Scienze della Terra, atmosferiche e planetarie e presso il Dipartimento di Chimica.
Nel 1995 vinse il premio Nobel assieme a Rowland e Crutzen per il loro lavoro sulla chimica dell'atmosfera, e in particolare sulla formazione e sulla decomposizione dell'ozono.
Nel 1997 è stato nominato MIT Institute Professor.
Il premio Nobel
Le ricerche che portarono alla pubblicazione dell'articolo su Nature, e quindi all'assegnazione del premio Nobel, si occupavano dei clorofluorocarburi, prodotti considerati inerti e largamente utilizzati, proprio per questa loro presunta caratteristica, nell'industria frigorifera e come propellente nelle bombolette spray.
Non sono note, infatti, reazioni di decomposizione dei CFC a temperatura ambiente.
Tuttavia i CFC liberati nell'atmosfera tendono a salire negli strati più alti dove possono venire degradati dalle radiazioni solari liberando atomi di cloro.
L'ipotesi proposta da Molina fu che proprio questi atomi di cloro avrebbero potuto reagire con l'ozono danneggiandolo e riducendone la quantità.
«Mario Molina è un chimico e scienziato ambientale visionario. Nato in Messico, il dottor Molina è venuto in America per proseguire la sua laurea. In seguito ha conseguito il Premio Nobel per la Chimica per la scoperta di come i clorofluorocarburi impoveriscono lo strato di ozono. Il Dr. Molina è professore presso la University of California, San Diego; Direttore del Centro per l'Energia e Ambiente Mario Molina; e membro del Consiglio dei consulenti in materia di scienza e tecnologia del Presidente.» — 8 agosto 2013[5]