La particularité de la piscine Molitor réside dans l'association d'une piscine couverte, plutôt traditionnelle pour l'époque, et d'un bassin olympique à l'air libre entouré de trois étages de cabines bleues et de balustrades blanches. C'est un vestige des années 1930, caractéristique du style art déco, ressemblant non innocemment aux paquebots (à cause des fenêtres hublots), très à la mode de l'époque.
La piscine Molitor était plus qu'une piscine. Son ingénieur-constructeur Lucien Pollet la baptise d'ailleurs « Les Grands Établissements Balnéaires d'Auteuil », soulignant ainsi la vocation sportive, de bien-être et de loisirs des lieux. Le bassin d'été en est l'illustration : il était à l'origine bordé de plages de sable et entouré de trois niveaux de cabines longés de coursives, elle-mêmes bordées par une lisse normande, comme cela était l'usage de l'époque.
La piscine est inaugurée avec faste par l'américaine Aileen Riggin Soule et le hongrois Johnny Weissmuller. À vingt-cinq ans, et trois ans avant d'incarner le premier Tarzan du cinéma, ce-dernier est en effet mondialement connu pour ses cinq titres olympiques en natation. Maître-nageur à ses heures, il officie à la piscine Molitor pendant l'été 1929.
La piscine accueille par la suite des défilés de mode, des galas nautiques, des représentations théâtrales ainsi que l'entraînement des champions français de patinage. Dans l'enceinte de Molitor, on trouvait plusieurs commerces qui animaient le quartier, un café-tabac, un restaurant, un magasin de sport et un salon de coiffure. C'est de là qu'est partie la révolution du bikini, le 5 juillet 1946 alors que Louis Réard présente sa création portée par la danseuse du Casino de Paris, Micheline Bernardini.