Italieneren avsluttet europatourens flaggskipturnering med en feilfri fire under par 68-runde med birdier på hullene 3, 4, 8 og 12 og resten par. Som ga totalen 17 under par.
Med seieren har Molinari endt topp-10 i Wentworth -turneringen fem ganger de siste ti årene, inkludert andreplass i fjor.
I år stod kampen først og fremst mot 2014-vinneren Rory McIlroy, som delte teten med italieneren etter tre runder. Nordiren endte to slag bak Molinari etter å ha avsluttet birdie-birdie.
Tredjeplassen ble helskandinavisk med danske Lucas Bjerregaard og fjorårsvinner Alex Noren fra Sverige på -14.
Se også: Resultater fra BMW PGA Championship