Profesor de la Facultad de Bellas Artes de la Universidad Complutense de Madrid, fue considerado uno de los máximos representantes de la pintura geométrica y uno de los artistas gallegos contemporáneos de más sólida reputación internacional. En su última etapa su obra evolucionó hacia una tímida figuración vinculada a los epígonos del cubismo.

Su vocación por la pintura nació en los primeros años cincuenta. En 1953 obtuvo el Gran Premio de la X Trienal de Milán por el montaje del pabellón español, realizado en colaboración con el arquitecto Ramón Vázquez Molezún y el escultor Amadeo Gabino. En 1956 se le concedió la Medalla de Oro de la I Biennale Kirchlicher Kunst der Gegenwart de Salzburgo por sus vidrieras de hormigón.

Realiza numerosas pinturas murales y nuevas vidrieras en diversos edificios públicos, hospitales, aeropuertos, iglesias, universidades, etc., entre otros lugares, en la Fundación Juan March y en las iglesias de los Sagrados Corazones y de la Ventilla, todos en Madrid; y en el pabellón de España en la Feria Mundial de Nueva York de 1964.

La evidente proximidad a la tradición cubista hace que las obras de Molezún parezcan una arquitectura plana y colorida, formada por elementos que vienen hacia el espectador, en las que el artista mantiene una enorme preocupación por la luz en las capas y planos transparentes, superpuestos unos sobre otros según diferentes ángulos. Son obras fundamentalmente conceptuales, recreando los objetos en términos geométricos.

En Molezún el peso de la tradición de la vanguardia no es solamente indiscutible, sino nítidamente buscado. Se sentía parte de la tradición de la naturaleza muerta, en la que investiga, ahonda y analiza desde aspectos formales hasta simbólicos, creando variaciones casi musicales, poéticas, sobre diferentes motivos del género. Molezún elaboraba las naturalezas muertas partiendo de lo abstracto, yendo de lo general a lo particular, de modo que realiza el camino contrario a Cézanne, como lo hizo en su momento Juan Gris.