Joaquim Molas i Batllori neix a Barcelona el 5 de setembre de l'any 1930, i creix enmig d'una atmosfera de barri popular. Des de petit, els diumenges sovinteja el mercat de Sant Antoni i remena entre llibres fora de circuit. Com ell mateix diu: "Al mercat vaig comprar les 'meves' primeres revistes i els 'meus' primers llibres. Números antics de Chicos i de Flechas y Pelayos. O novel·les del Coyote i d'Edgard Wallace. Quan vaig entrar a la universitat, vaig topar amb un món del tot diferent. Vaig descobrir el món de la gran cultura. I aquest món no solament em va deixar fascinat, sinó que em va fer rebutjar en bloc el que, fins aquell moment, havia alimentat els meus somnis."

Es llicencia en Filologia Romànica a la Universitat de Barcelona, i el 1958 fa el doctorat amb una tesi sobre el poeta medieval Lluís Icart. El 1959 marxa durant dos anys com a lector de castellà a la Universitat de Liverpool. L'estada a Anglaterra li serveix per a recuperar les tradicions de què s'havia nodrit a l'adolescència i que, en entrar a la universitat rebutja "amb l'afany d'integrar-les, de fer-ne una síntesi. Dit d'una altra manera: les vaig convertir en objecte d'estudi. I, així, vaig començar l'estudi de la Renaixença i, més en concret, de Verdaguer i d'Apel·les Mestres, del Modernisme, de les diverses Avantguardes, de la literatura popular o de gènere...".

Del 1961 al 1972 és professor als Estudis Universitaris Catalans. L'any 1969 entra com a Catedràtic de Llengua i Literatura Catalana a la Universitat Autònoma de Barcelona, i des del 1982, a la Universitat de Barcelona. Segons Manuel Jorba: "El 1969, retrobava a la Universitat Autònoma el medi universitari natural, el dels estudiants que tindran els professors més globalment adients a la casa on estudien, i que no necessàriament hauran de buscar a l'exterior un fòrum científic de discussió i debat cultural alternatius o complementaris. Feia anys que Molas no disposava del que de sempre havia desitjat, però mai a qualsevol preu, i ara en disposava amb responsabilitat total sobre l'organització de les matèries pròpies i, en part, sobre la de la configuració de certs òrgans de la institució universitària."

Durant els primers anys, influït per Martí de Riquer i per Dámaso Alonso, es dedica a la literatura medieval i a l'anàlisi estilística dels textos, i publica dos excel·lents volums de divulgació, Literatura catalana antiga: el segle XIII (1961) i Literatura catalana antiga: el segle XV (1963). Més endavant es decanta cap a l'estudi de la literatura contemporània amb una metodologia de tipus més marxista, amb llibres com Poesia catalana del segle XX (1963), en col·laboració amb Josep M. Castellet, i diversos volums de la sèrie Antologia Catalana.

Dirigeix diverses col·leccions que són referents importants en la recuperació del llegat literari català després de l'etapa de la dictadura franquista: «Antologia catalana», «Les millors obres de la literatura catalana», «Les millors obres de la literatura universal» i «Les millors obres de la literatura universal del segle XX», entre d'altres. Participa en la direcció i redacció parcial dels volums corresponents a la part contemporània de la Història de la literatura catalana (1986-1988) de l'editorial Ariel. També publica un estudi sobre l'avantguardisme català: La literatura catalana d'avantguarda, 1916-1938 (1983), premi Crítica Serra d'Or del 1984. Juntament amb J. Massot i Muntaner dirigeix el Diccionari de la literatura catalana (1979).

El seu rigor i eclecticisme es fa evident a la revista Els Marges, que funda el 1973, exponent d'una escola de crítica i d'historiografia literàries. És també membre del consell de redacció de diverses revistes, com Serra d'Or (1965-1977), Recerques (1970-1987) i Anuari Verdaguer (des de l'any 1986). A més, col·labora habitualment en mitjans de comunicació i en diverses revistes científiques i culturals, com Estudis Romànics, Bulletin of Hispanic Studies, El Pont, L'Avenç, Revista de Catalunya, La Vanguardia, Destino, Avui, El País, entre d'altres. És autor de nombrosos pròlegs d'obres de ficció d'autors moderns. Una part dels seus articles de crítica literària, especialment els publicats a Serra d'Or, han estat recollits a Una cultura en crisi (1971) i a Lectures crítiques (1975).

El 1995 publica el volum Obra Crítica I, que obté el premi Lletra d'Or i el de la Crítica Serra d'Or del 1996. El volum Obra Crítica II (1999), rep també el premi Crítica Serra d'Or de l'any 2000. El primer lliurament de les seves memòries, Fragments de memòria. Fulls del dietari (1997), obté el premi de la Institució de les Lletres Catalanes de prosa no de ficció, el 1998.

Ell mateix diu: "[...] Vaig deixar d'escriure per posar-me a descriure, un ofici, a la pràctica, tan complicat i tan competitiu com l'altre, però que treballa amb idees, més ben dit, amb les reelaboracions literàries de la realitat nua i pelada, no directament amb aquesta. I que, per tant, demana, primer, moltes dosis d'erudició, per disposar de tot el material d'arxiu i de lectura necessari. Després, d'imaginació, per establir tots els lligams possibles entre els materials aplegats. I, per últim, d'intel·ligència per ordenar i donar sentit a l'operació. Ara: aquest discurs, com qualsevol discurs escrit, sigui literari o científic, està subjecte a unes rígides lleis de composició, dit amb altres paraules, d'organització, de precisió, de claredat i, en definitiva, de tensió."

La importància de la seva labor és reconeguda amb els principals premis i honors de la cultura catalana. Rep el Premi d'Honor de les Lletres Catalanes (1998), la Creu de Sant Jordi (1999), la medalla Narcís Monturiol al mèrit científic (2000), la Medalla del Mèrit Cultural de l'Ajuntament de Barcelona (2002), i la Medalla d'Or de la Generalitat de Catalunya (2003). L'any 2006 és nomenat Doctor Honoris Causa per la Universitat de Lleida.

Joaquim Molas mor el 16 de març de 2015, a l'edat de vuitanta-cinc anys. Fou membre numerari de l'Institut d'Estudis Catalans i soci d'honor de l'Associació d'Escriptors en Llengua Catalana.

El 2016 l'Aula Joaquim Molas, juntament amb la Biblioteca Museu Víctor Balaguer de Vilanova i la Geltrú, li dediquen l'exposició «Atles Molas. Ordre i disjuncions en les avantguardes», comissariada per Enric Bou i Jordi Cerdà Subirachs.