Han ble profesjonell i 2006. To seire på Challenge Tour i 2007 førte til at Molinari var kvalifisert til Europatouren i 2008. Ujevnt spilt førte ham tilbake til Challenge-touren i 2009, der det ble tre seire. I 2009 vant han også, sammen med broren Francesco, World Cup.
Takket være gode resultater i 2010, ble han på slutten av sesongen tatt ut til å spille Ryder Cup.