En los años 60 tuvo que marcharse de su Córdoba natal para cumplir su sueño: estudiar la carrera de cine. Así, Josefina Molina consiguió ser la primera mujer en España diplomada en Dirección por la Escuela Oficial de Cine. Tras acabar la carrera entró en televisión a pesar de que "cuando salíamos de la escuela estábamos todos instalados en nuestro pedestal de autores, éramos creadores cinematográficos, y la televisión era una cosa popular que quizá no era lo más indicado para alumnos de la escuela". Pero allí aprendió "muchísimo" porque era el medio ideal para transmitir cultura en una época tan difícil para España. Allí hizo programas dedicados a autores universales como Dickens, Shakespeare, Lope de Vega, Edgar Allan Poe o Kafka y pensó que "merecía la pena tomarse en serio cualquier programa de televisión como si fuera la película de tu vida y haciéndo lo mejor que pudiera, claro que al principio no los hacía muy bien, pero poco a poco fui aprendiendo bastante".

En 1973 debutó como directora con Vera, un cuento cruel, pero poco después, en 1977, volvió a la televisión para ponerse al frente de una versión de El camino de Miguel Delibes, protagonizada por Amparo Baró. Tras esto, en 1981 dirigió Función de noche junto a Lola Herrera, una pareja a la que ya estaba unida también desde 1979 por la versión teatral de Cinco horas con Mario, de Miguel Delibes, con la vallisoletana como Carmen Sotillo, la protagonista.

En 1984 realizó Teresa de Jesús, una serie histórica con Concha Velasco como la santa de Ávila. Y en 1988 dirigió una de sus obras más sobresalientes, Esquilache, basada en la obra de Antonio Buero Vallejo Un soñador para un pueblo. Esta película contó con un gran reparto en el que aparecían Fernando Fernán Gómez, Adolfo Marsillach, Amparo Rivelles, José Luis López Vázquez o Concha Velasco. En este trabajo Josefina Molina repasaba el gobierno de Carlos III a través del Marqués de Esquilache. En 1989 el filme se proyectó en la sección oficial de largometrajes del Festival de Berlín. Además, consiguió 11 nominaciones a la cuarta edición de los Premios Goya, aunque sólo ganó Adolfo Marsillach como mejor actor de reparto, y Ramiro Gómez y Javier Artiñano en la categoría de mejor dirección artística.

Sus últimas dos películas han sido Lo más natural, de 1990, y La Lola se va a los puertos, de 1993. La primera, protagonizada por Charo López y Miguel Bosé, narra cómo una mujer de mediana edad y recién separada vuelve a su trabajo de abogada y acepta como cliente a un atractivo ecologista que presenta una demanda contra la empresa de su ex marido.

La segunda, con Rocío Jurado y Francisco Rabal encabezando el reparto, es un drama musical que se traslada al año 1860 y a la bahía de San Fernando, donde vive Lola, una cantaora andaluza que enamora a todos los hombres que la conocen. Josefina Molina quiso hacer un remake de la película homónima dirigida en 1947 por Juan de Orduña.

Además, también ha dirigido para televisión las miniseries Entre naranjos, basada en la novela homónima de Vicente Blasco Ibáñez, y que cuenta en el reparto con Toni Cantó, Nina Agustí y Mercedes Sampietro; y El camino, basada en la novela de Miguel Delibes y con Amparo Baró, Alicia Hermida y Fernando Aguilera.

En este medio se ha puesto al frente de Un globo, dos globos, tres globos; Los pintores del Prado, Teatro de siempre, Escrito en América,Cuentos y leyendas y Pequeño estudio, entre otros.

Su filmografía incluye también cuatro cortometrajes: La otra soledad (1966), Aquel humo gris (1967), Melodrama infernal (1967) y La rama seca (1972).

Pero sin embargo, uno por los aspectos por los que más ha destacado Josefina Molina es la defensa de las mujeres cineastas, principalmente a través de la Asociación de Mujeres Cineastas y de Medios Audiovisuales CIMA, que fundó en 2006 con otras directoras como Inés París, Chus Gutiérrez, Icíar Bollaín o Isabel Coixet.