Avec son frère cadet Francesco, il a fait partie des meilleurs golfeurs d'Europe au début des années 2010 (onze fois dans le top-10 d'un tournoi du tour européen en 2010). Il remporta le l'Open d'Ecosse et le Johnnie Walker Championship en 2010. De ce fait il est devenu le premier joueur sur le tour européen vainqueur de deux épreuves sur les terres écossaises en une seule saison. Il remporte une troisième victoire sur le tour européen en avril 2017 au Trophée Hassan II au Maroc en étant 607e joueur mondial. En 2014, il termina 7eme du British Open, son meilleur classement dans un Majeur. Vainqueur au classement général du Challenge Tour (deuxième division européenne) en 2009 avec 3 victoires. Vainqueur de l'US Amateur en 2005.

Avec son frère, il s'est imposés dans la Coupe du Monde en 2009. Ensemble ils ont fait partie de l'équipe européenne, victorieuse de la RYDER CUP en 2010.  La fratrie Molinari sont les premiers frères à participer à une même RYDER CUP depuis les frères Bernard et Geoffrey Hunt pour la Grande Bretagne en 1963. Plus tôt il y eu Charles et Ernest Whitcombe en 1929 et 1931 et en 1935 Charles, Ernest et Reg Whitcombe pour la Grande Bretagne !