La particularité de la piscine Molitor réside dans l'association d'une piscine couverte, plutôt traditionnelle pour l'époque, et d'un bassin olympique à l'air libre entouré de trois étages de cabines bleues et de balustrades blanches. C'est un vestige des années 1930, caractéristique du style art déco, ressemblant non innocemment aux paquebots (à cause des fenêtres hublots), très à la mode de l'époque.
La piscine Molitor était plus qu'une piscine. Son ingénieur-constructeur Lucien Pollet la baptise d'ailleurs « Les Grands Établissements Balnéaires d'Auteuil », soulignant ainsi la vocation sportive, de bien-être et de loisirs des lieux. Le bassin d'été en est l'illustration : il était à l'origine bordé de plages de sable et entouré de trois niveaux de cabines longés de coursives, elle-mêmes bordées par une lisse normande, comme cela était l'usage de l'époque.
La piscine est inaugurée avec faste par l'américaine Aileen Riggin Soule et le hongrois Johnny Weissmuller. À vingt-cinq ans, et trois ans avant d'incarner le premier Tarzan du cinéma, ce-dernier est en effet mondialement connu pour ses cinq titres olympiques en natation. Maître-nageur à ses heures, il officie à la piscine Molitor pendant l'été 1929.
La piscine accueille par la suite des défilés de mode, des galas nautiques, des représentations théâtrales ainsi que l'entraînement des champions français de patinage. Dans l'enceinte de Molitor, on trouvait plusieurs commerces qui animaient le quartier, un café-tabac, un restaurant, un magasin de sport et un salon de coiffure. C'est de là qu'est partie la révolution du bikini, le 5 juillet 1946 alors que Louis Réard présente sa création portée par la danseuse du Casino de Paris, Micheline Bernardini.
Différents projets immobiliers proposés par la suite ont été arrêtés par le ministère de la Culture, émettant définitivement le 5 août 2000 un avis défavorable au projet de permis de construire qui avait été émis par la Ville de Paris. La piscine maintenant fermée depuis près de vingt ans voit l'espoir de nombreux défenseurs qu'une rénovation à l'identique ait lieu. Succédant en 1994 à l'association « SOS-Molitor » qui avait obtenu l'inscription du bâtiment, l'association « Piscines Molitor » (type association loi de 1901) s'est fixée pour but d'obtenir la réhabilitation et la réouverture des piscines Molitor en sauvegardant l'esprit de l'architecte Lucien Pollet. Face à la ville de Paris, l'association a entamé plusieurs actions devant le tribunal administratif de Paris.
Le 20 novembre 2007, trois groupements sont en lice pour la réhabilitation de la piscine Molitor : Colony Capital SAS, ICADE / Caisse des dépôts et consignations et GTM Bâtiment ; ils ont déposé le 19 novembre une offre en vue de la rénovation et de l’exploitation de la piscine Molitor. Un appel à candidatures avait été lancé en août 2007 par la Mairie de Paris.
Le 30 octobre 2008, la mairie de Paris annonce avoir retenu le projet du groupement Colony Capital-Accor-Bouygues pour la rénovation complète de la piscine Molitor. Le bail, d'une durée de 54 ans, est fourni dès le 24 novembre 2008 pour une ouverture au public prévue en 2012.