Alfred Molina est né dans le quartier de Paddington à Londres le {{Date de naissance}}. Son père, Esteban Molina, ayant quitté Madrid en 1939 pour fuir la guerre civile d'Espagne, travaille comme serveur et chauffeur dans un hôtel. Sa mère, d'origine italienne, arrivée en 1948, est gouvernante et cuisinière dans un hôtel. Il grandit à Notting Hill
Il prend la décision de devenir acteur à l'âge de neuf ans, après avoir vu le film Spartacus de Stanley Kubrick avec Kirk Douglas. Il commence par rejoindre le National Youth Theatre avant de suivre les cours de la Guildhall School of Music and Drama d'où il sort avec un diplôme de comédie classique. Ses dix premières années de carrière artistique sont entièrement consacrées au théâtre, notamment, dès 1977, dans la Royal Shakespeare Company. Il apparait dans plusieurs productions : Troïlus et Cressida et Le Roi Lear. Sa grande taille lui confère une certaine prestance sur scène, et en 1979, il se fait remarquer dans la pièce Mort accidentelle d'un anarchiste ({{lang}}) de Dario Fo en jouant le maniac.
Il se fait remarquer pour la première fois au cinéma dans Les Aventuriers de l'arche perdue de Steven Spielberg, en 1981. Il y joue le rôle de Satipo, le guide malchanceux d'Indiana Jones de la séquence d'ouverture. Il gagnera {{Unité}} pour une semaine de travail selon ses dires. Après avoir joué des rôles mineurs, il peut montrer tout son jeu d'acteur en 1987 face à Gary Oldman dans le film Prick Up Your Ears de Stephen Frears.
Dans les années 1990, il joue dans plusieurs films qui lui valent des distinctions, comme Boogie Nights (1997) et Magnolia (1999) de Paul Thomas Anderson et Le Chocolat de Lasse Hallström (2001).
Alfred Molina est également un comédien qui joue dans plusieurs pièces de théâtre. En 1998, il monte pour la première fois sur les planches de Broadway en interprétant Yvan dans « Art » de Yasmina Reza. Ce rôle lui permettra d'obtenir un Drama Desk Awards, ainsi qu'une nomination aux Tony Awards.
En 2002, il partage l'affiche avec Salma Hayek dans le film Frida de Julie Taymor, ce qui lui vaudra de nombreuses nominations, notamment aux British Academy Film Awards. En 2004, il interprète le {{Dr}} Otto Octavius dans Spider-Man 2 de Sam Raimi. Il obtient alors des rôles importants dans plusieurs films à gros budgets : Da Vinci Code de Ron Howard en 2006, La Panthère rose 2 de Harald Zwart en 2009, L'Apprenti sorcier de Jon Turteltaub en 2010.
Il ne s'éloigne cependant pas du petit écran : en 2010-2011, il est le substitut du procureur principal Ricardo Moralesde dans la série Los Angeles, police judiciaire.
Alfred Molina vit à Los Angeles avec sa femme Jill Gascoine, une actrice et auteure britannique. Il parle couramment espagnol.
En 2004, il devient citoyen américain. Il révise longuement pour le dur test de naturalisation des États-Unis mais son examinateur le reconnait et lui pose des questions faciles.