Mariano Moles Villamate comenzó su carrera profesional en Francia como becario del Gobierno francés en el Institut Henri Poincaré, Laboratorio Gravitation et Cosmologies (Universidad de París) y en el Centre Nacional de la Recherche Scientifique (CNRS), durante el periodo 1971-1976. A lo largo del año 1976 se incorporó al Centre Nacional de la Recherche Scientifique como miembro titular, pidiendo la excedencia en 1978 para desempeñar el puesto de co-director del Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto (Almería), hasta el año 1982. Posteriormente, es nombrado astrónomo del Observatorio Astronómico Nacional (hasta 1987), investigador Científico del CSIC (1987-1989), y profesor de Investigación del mismo Centro.

En 1988 es designado director del Instituto de Astrofísica de Andalucía. Igualmente, es el responsable de la Campaña de Prospección Astronómica patrocinada por el CSIC, el Ayuntamiento de Teruel y la Diputación Provincial de Teruel, en el Pico del Buitre.

Entre 1992 y 1995 es astrónomo responsable de la Estación de Observación de Calar Alto (Almería). Hasta 1996 y como fundador del mismo, es jefe del Departamento de Astronomía Extragaláctica del Instituto de Astrofísica de Andalucía.

Otros cargos desempeñados por Moles son estos: miembro de la Unión Astronómica Internacional, vocal de la Comisión Nacional de Astronomía, vocal de la Comisión del Área “Ciencia y Tecnologías Físicas” del CSIC, miembro del Comité Científico Asesor “Fachbeirat” en Heidelberg (RFA), evaluador externo de proyectos de investigación para distintas Agencias, coordinador del Área de Física y Ciencias del Espacio de la Agencia Nacional de Evaluación y Prospectiva, y miembro del Comité Científico Asesor para el Gran Telescopio Canarias y de los Comités de Instrumentación.