Carlo Mollino nasce a Torino il 6 maggio 1905 da Jolanda Testa ed Eugenio, ingegnere.
Architetto, arredatore, designer, fotografo, scrittore, maestro di sci, aviatore, pilota automobilistico, scenografo, professore universitario, compie tutto il percorso scolastico presso il Collegio San Giuseppe di Torino per poi iscriversi al corso di laurea in Ingegneria e trasferirsi dopo un anno alla regia Scuola superiore di Architettura, dove si laurea nel 1931. Per tutta la durata di studi politecnici svolge il proprio apprendistato presso lo studio del padre Eugenio, ingegnere, dal quale apprende facendola propria la meticolosa competenza costruttiva e compositiva, che esprimerà secondo un indirizzo creativo spesso in contrasto con quello paterno. Dal padre eredita altresì la passione per la montagna e per la fotografia.
Alla libera professione e ai molti interessi che persegue con un impegno mai da dilettante Mollino affianca, a partire dal 1949, l'insegnamento al Politecnico di Torino dove è chiamato per chiara fama da Mario Federico Roggero, preside della Facoltà di Architettura, alla cattedra di Decorazione. Nel 1953, vinto il concorso a professore ordinario, diviene titolare della cattedra di Composizione architettonica.
Nei primi anni di attività diverse sono le collaborazioni ai progetti paterni; quella che vede affermarsi l'apporto progettuale di Carlo è il concorso, vinto, per la Casa del Fascio di Voghera del 1934. Allo stesso periodo, 1933-34, è datato l'esordio progettuale e costruttivo in autonomia con la sede della Federazione fascista degli Agricoltori a Cuneo, in collaborazione con Vittorio Baudi di Selve. Il decennio si chiude con tre importanti progetti che segnano per il giovane architetto l'affermazione professionale e sociale: la sede per la Società Ippica Torinese (1936-1939) demolita nel 1960 e gli interni delle case Miller e Devalle (1938-1939). Questi appartamenti, il primo una casa-studio per le proprie ricerche estetiche, sono da Mollino ampiamente fotografati in corso di allestimento e divengono negli anni immediatamente successivi il teatro di posa di molti dei suoi più noti ritratti femminili. Negli anni Trenta si collocano anche gli esordi letterari di Carlo Mollino, che ai saggi di argomento architettonico urbanistico affianca la stesura di due romanzi, entrambi incompiuti: Vita di Oberon, uscito a puntate nel 1933 su "Casabella" e L'amante del Duca pubblicato su "Il Selvaggio" tra il 1934 e il 1936 in cinque puntate.
Il decennio successivo è caratterizzato dal tema dell'abitazione: case ad appartamenti, monofamiliari, di villeggiatura, strutture ricettive, ambientazione d'interni e singoli oggetti d'arredo. Tra questi tre sono progetti per case ideali non destinate alla costruzione e redatti su sollecitazione di riviste: la Casa in collina per "Domus" che nel 1942 pubblica una serie di progetti sul tema La casa e l'ideale; ancora per "Domus", nel 1943, la Camera da letto per una cascina in risaia, realizzata in un ambiente del proprio appartamento e la Casa sull'altura pubblicata su "Stile" nel 1944; tra le realizzazioni si citano le ambientazioni e gli arredi delle case di Ada e Cesare Minola e di Franca e Guglielmo Minola, tra il 1944 e il 1947, casa Lora Totino a Cervinia (1946), la Stazione-albergo al Lago Nero a Sauze d'Oulx (1946-47), Casa del Sole a Cervinia (1947-1955), gli arredi e le ambientazioni per la sede Reale Mutua Assicurazioni a Torino (1948) e per le case Orengo e Rivetti, entrambe in Torino (1949). Nell'immediato secondo dopoguerra vince, con lo scultore Umberto Mastroianni, il concorso per il Monumento ai caduti della libertà nel cimitero monumentale di Torino. L'attenzione alla casa e all'arredo sfociano, nei primissimi anni Cinquanta, nella partecipazione alla mostra Italy at Work. Renaissance in Design Today, inaugurata il 29 novembre 1950 al Brookling Museum di New York, dove espone un ambiente pranzo-soggiorno e nel concorso Vetroflex-Domus che premia il progetto Mini-modulo, di Carlo Mollino e Giovanni Luisoni, per casetta unifamiliare di vacanza per quattro persone proposta dai due progettisti in quattro varianti: campagna-lago, montagna, brughiera e mare.
Intensa continua ad essere anche l'attività editoriale di cui si ricordano Incanto e volontà di Antonelli (1941) apparso su "Torino", Vedere l'Architettura su "Agorà" (1946) e le monografie Architettura, arte e tecnica, con Franco Vadacchino (1948), Il messaggio della camera oscura (1949) e Il linguaggio dell'architettura, il volto della città (1949), tutti per i tipi di Chiantore.
Gli anni Cinquanta sono segnati dalla morte del padre Eugenio nel 1953 e da un conseguente periodo di minore attività che tuttavia vede la realizzazione di alcuni importanti progetti: l'Auditoriium Rai di Torino, con Aldo Morbelli (1950-53), la casa ad alloggi di viale Maternità ad Aosta (1951-53), gli arredi per la casa editrice Lattes (1951-54), la casa sull'altopiano di Agra (1952-53), il progetto per la casa capriata, già abbozzato nell'ambito del concorso Vetroflex e sviluppato nel 1954 per la X Triennale di Milano, realizzato postumo nel 2014 a Gressoney Saint_Jean, il pullman Nube d'argento, stand pubblicitario Agipgas realizzato nel 1954 con Franco Campo e Carlo Graffi, il Bisiluro Damolnar con il carroziere Nardi e Mario Damonte, che correrà sul circuito di Le Mans nel 1955, il quartiere INA_casa di c.so Sebastopoli a Torino, tra il 1957 e il 1960 dove è capofila di un gruppo di professionisti di cui fanno parte Carlo Bordogna, Franco Campo, Francesco Dolza, Carlo Graffi e Nino Rosani, la sala da ballo Lutrario, oggi Le Roi, a Torino con Carlo Alberto Bordogna (1959-60). Tra le pubblicazioni si cita il manuale Introduzione al discesismo edito a Roma da Mediterranea nel 1951.
Dopo l'insuccesso del Concorso-appalto Italia '61 con Carlo Alberto Bordogna e Sergio Musmeci gli anni Sessanta lo vedono impegnato nel progetto di casa Garelli a Champoluc (1963-65) e in due realizzazioni, esito di concorso: il Palazzo degli Affari per la Camera di Commercio di Torino (1964-73) con Carlo Graffi, Alberto Galardi e Antonio Migliasso e il Teatro Regio di Torino (1965-73) con Marcello e Adolfo Zavelani Rossi e Carlo Graffi cui si aggiungono per la progettazione statica della copertura prima l'ingegner Sergio Musmeci poi sostituito dall'ingegnere impresario Felice Bertone.
Gli ultimi vent'anni sono anche gli anni in cui Carlo Mollino, privo della presenza severa del padre, si dedica maggiormente alle proprie passioni, al volo anche acrobatico, all'automobilismo, al ritratto fotografico erotico dove passa dalla pellicola alla polaroid e ai viaggi, in autonomia o organizzati dalla Società degli Ingegneri e degli Architetti in Torino, in Olanda, in Grecia, negli Stati Uniti (1960), in India e Pakistan (1961) e in Giappone (1970). Viaggi documentati da centinaia di istantanee di spazi urbani, edifici, compagni e compagne di viaggio.
Muore improvvisamente nel proprio studio il 27 agosto 1973.