Молина появился на свет под именем Альфредо 24 мая 1953 года в Лондоне. Оба его родителя были иммигрантами: отец - из Испании, мать - из Италии. Молина окончил Гилдхоллскую школу музыки и театра.
Альфред Молина дебютировал как актёр в ситкоме The Losers в 1978 году. В кино впервые появился в 1981 году - это роль второго плана в первом фильме об Индиане Джонсе, «В поисках утраченного ковчега». Первая серьёзная роль относится к 1985 году, когда Молина появился в фильме «Письмо к Брежневу». До начала 1990-х Молина много работал в телесериалах, но затем оставил телевидение ради кино и театра. В середине десятилетия переехал в США.
В 1990-е Молина сыграл в таких фильмах, как «Особь», «Мертвец» (оба - 1995), «Анна Каренина» (1997), Магнолия (1999). В 2000 году Молина сыграл главного антагониста в трагикомедии «Шоколад».
Широкая известность пришла к Молине после роли мексиканского художника Диего Риверы в биографическом фильме «Фрида» (2002) о художнице Фриде Кало. Роль принесла Молине номинации на премию BAFTA и премию Гильдии киноактёров США. После этого принял участие в двух блокбастерах: сыграл злодея Доктора Осьминога в комиксе «Человек-паук 2» (2004), а также появился в экранизации романа Дэна Брауна «Код да Винчи» (2006).
До переезда в США Молина играл в Королевском национальном театре. В 1998 году дебютировал на Бродвее в постановке 'Art'. Дважды номинировался на театральную премию «Тони».
Альфред Молина в настоящий момент является гражданином США. С 1986 года женат на актрисе Джилл Гаскойн, которая старше его на 16 лет. У них есть дочь Рейчел (род. 1980) и два пасынка Адам и Шон.