Durant l’Entre-deux-guerres, les pouvoirs publics encouragent la construction de piscines sur le territoire français : en effet, en 1922, le pays ne compte que 20 piscines, dont 7 à Paris, et accuse un certain retard face à ses voisins européens. La piscine Molitor s’inscrit dans un projet d’ouvertures de piscines dans différents quartiers de Paris autour de 1930, afin de répondre au manque de bassins dans la capitale. Autrefois appelée « Grands établissements balnéaires d’Auteuil », la piscine est édifiée par le maître d’ouvrage Les Belles Piscines de France en 1929 sur les plans de l’architecte Lucien Pollet, également auteur de la piscine Jonquière dans le 17e arrondissement (en 1933), de la piscine Pailleron dans le 19e arrondissement et de la piscine Pontoise dans le 5e arrondissement (toutes deux en 1934), édifiées sur un plan à peu près identique. Elle se distingue cependant des autres réalisations de Pollet car elle occupe l’ensemble d’un îlot de forme triangulaire et possède deux bassins, l’un couvert et l’autre découvert. Située à proximité du bois de Boulogne, la piscine est aujourd’hui entourée par de nombreux équipements sportifs renommés, notamment les courts de tennis de Roland-Garros ou encore le parc des Princes.
L’édifice est entièrement construit en béton. La piscine couverte adopte le plan qui sera réalisé plus tard dans les autres piscines de Pollet. Elle est entourée de deux étages de coursives où se trouvent les cabines ; l’ensemble est réalisé dans le style Art déco marqué par la verticalité des lignes et des décors géométriques en mosaïque. L’espace est intégralement couvert par une verrière à double pan apportant un éclairage zénithal et une bonne ventilation. Le bassin extérieur s’adapte à la forme triangulaire de la parcelle, entouré de deux niveaux de coursives de cabines. Ces deux bassins se complètent aussi sur leur destination : celui couvert est long de 33 mètres (longueur standardisée qui s’impose dans les années 1920) ; le bassin extérieur, d’un plan en T, est long de 50 mètres et était l’origine bordé de sable afin d’imiter la plage. Il se transformait, jusqu’aux années 1970, en une patinoire pendant l’hiver. Chaque année, les travaux engendrés par l’installation de la patinoire ont en effet incité à l’arrêt de l’exploitation. Dès sa construction, Louis Barillet, maître-verrier, réalise également plusieurs vitraux pour la piscine, qu’il est encore possible de voir partiellement aujourd’hui (sur l’entrée centrale de l’avenue de la Porte-Molitor).
Son architecture inspirée des paquebots et son bassin extérieur permettent à la piscine de recevoir beaucoup de visiteurs. Molitor est d’ailleurs restée célèbre dans la culture populaire pour sa vie mondaine et les nombreux événements qui s’y sont déroulés. Le 5 juillet 1946, la piscine est le théâtre d’un concours de maillots de bain lors duquel est montré au public le premier bikini, entrant ainsi dans l’histoire de la mode.
La piscine ferme ses portes le 31 mai 1989. Ayant subi les affres du temps, elle est menacée de destruction mais finalement sauvée par l’association SOS Molitor. L’année suivante, le 27 mars 1990, elle est inscrite au titre des Monuments historiques en vue d’une restauration d’ensemble et de la mise en valeur de son caractère patrimonial. Néanmoins, laissé à l’état d’abandon pendant plusieurs années, l’ensemble a fait l’objet d’une vaste restauration entreprise entre 2011 et 2014, par la société Colony Capital et en association avec Bouygues Construction et Accorhotels. Ces travaux et l’état de l’édifice nécessitent cependant, malgré son inscription au titre des Monuments historiques, une destruction quasi complète en 2012. Elle trouve à cet effet une nouvelle vocation : les coursives de cabines du bassin extérieur sont surélevées de deux niveaux afin d’accueillir un hôtel de luxe auquel le bassin extérieur est exclusivement dédié.
