Carlo Mollino nasce a Torino, figlio unico dell’ingegnere Eugenio Mollino, da cui eredita «il perfetto mestiere del costruire e quella poliedricità dei suoi interessi che ne determineranno lo stereotipo di genio e sregolatezza, mai abbandonato» (E. Tamagno). Nella sua città compie gli studi, dalle elementari alle superiori, presso il Collegio San Giuseppe; nel 1925 si iscrive alla facoltà di Ingegneria e, dopo un anno, si trasferisce alla Regia Scuola Superiore di Architettura dell’Accademia Albertina di Torino, poi Facoltà di Architettura del Politecnico di Torino, dove si laurea nel luglio del 1931. Mollino è, oltre che architetto e designer, anche fotografo (nel 1949 pubblica il fondamentale volume “Il Messaggio dalla Camera Oscura”), scrittore e pilota acrobatico di aeroplani. Inoltre progetta un’auto che nel 1955 corre alla 24 ore di Le Mans.  È maestro di sci nonché direttore della Coscuma (commissione delle scuole e dei maestri di sci); nel 1950 dà alle stampe il trattato tecnico Introduzione al discesismo. Nel 1947 pubblica Architettura, arte e tecnica; dal 1949 è professore alla Facoltà di Architettura di Torino divenendo, dal 1953 sino alla morte, ordinario di Composizione architettonica. Nel 1957 è membro del Comitato organizzativo della XI Triennale di Milano. Muore improvvisamente nel 1973.

Non ancora laureato, compie un pioneristico studio sulle architetture rurali Walser in Val d’Aosta (1930). Tra il 1933 e il 1948, attivo nello studio del padre, è impegnato in numerosi concorsi: primo premio al concorso per la sede della Federazione Agricoltori di Cuneo, primo premio al concorso per la Casa del Fascio di Voghera e, in collaborazione con lo scultore Umberto Mastroianni, primo premio al concorso per il Monumento ai Caduti per la Libertà di Torino (noto anche come Monumento al Partigiano) nel Campo della Gloria del Cimitero Monumentale. Con l’ingegner Vittorio Baudi di Selve realizza la Società Ippica Torinese (1937-1940), poi demolita nel 1960. Innamorato della montagna,  progetta la casa del Sole a Cervina (1945-1954), il rascard Garelli a Champoluc (1963-1965) e la Slittovia del lago Nero presso Sauze d'Oulx (1946-1947), oggetto nel 2006 di un intervento di restauro che l'ha riportata in vita. Del 1952 è l’Auditorium della Rai a Torino (oggi Arturo Toscanini) con A. Morbelli, oggetto di un discusso restauro nel 2006, su progetto di Benedetto Camerana. Del 1959 è la sala da ballo Le Roi Lutrario, un alternarsi di luci, riflessi e trasparenze che si materializza in libera e ludica espressione. Nel 1959 vince il concorso per il Palazzo del Lavoro da costruirsi per la celebrazione di “Italia 61”, progetto poi assegnato a Pier Luigi Nervi, negli anni Sessanta è capogruppo per la costruzione del quartiere INA-Casa in corso Sebastopoli a Torino. Tra il 1964 e il 1973 realizza il palazzo della Camera di Commercio di Torino in via San Francesco da Paola e il nuovo Teatro Regio (ricostruito dopo l'incendio del 1936). Nel campo dell’arredo d’interni, sono le realizzazioni degli appartamenti Miller (1936), Devalle (1939-1940), Minola (1944-1946), Rivetti e Orengo (1949), tutti a Torino.

L’attività del Mollino-designer rappresenta un capitolo ben definito della sua carriera e ha inizio nel 1937 con i primi incarichi di progettazione e sistemazioni di interni, riallestimento di appartamenti e disegni di oggetti di arredo. I suoi mobili non furono mai prodotti in serie ma realizzati, spesso come pezzi unici, per gli interni da lui progettati o per mostre. Molti degli arredi prodotti in quegli anni testimoniano una ricerca nell’ambito dell’architettura spontanea, rivolta soprattutto ad un trattamento artigianale dei materiali, e che esprime le sue passioni per lo sci e la montagna. Alcune testimonianze di questa produzione sono le serie di tavoli per la sede della Reale Mutua del 1948 e per la casa editrice Lattes del 1951, realizzate dalla falegnameria Apelli e Varesio di Torino. Negli anni ’50 introdusse l’utilizzo del compensato curvato disegnando tavoli e sedie ottenuti dalla piegatura di un foglio di compensato. L’interesse di Mollino per la velocità e l’aeronautica conferisce un aspetto aerodinamico agli oggetti da lui progettati negli anni immediatamente successivi e si traduce soprattutto nelle strutture di supporto di tavoli, sedie e poltrone, come il tavolino Arabesco del 1950, la scrivania realizzata per casa Orengo nel 1959, la sedia Agra per Casa Cattaneo del 1953 e la poltrona Gilda del 1954. A partire dal 1964 fino all’anno della sua morte Mollino realizza gli arredi per la Camera di Commercio e il Teatro Regio di Torino. Molti di questi arredi sono stati riediti dalla ditta Zanotta nel corso degli anni ottanta e novanta.