Euro 2016 semifinalisterna mötte initialt andligt moldaviskt motstånd men ledde 2-0 på halvtid tack vare mål från Sam Vokes och Joe Allen.
Gareth Bale grep på ett bedrövligt pass för den tredje, sedan netting en sista minuten straff för hans andra av natten.
Wales "vinst sätter dem topp i Grupp D på målskillnad före Österrike.
Chris Colemans män reser till Wien för sin nästa VM kval på torsdag den 6 oktober.
Som gruppens bästa frön, Colemans sida hade förväntats göra lätt arbete av Moldavien, som rankas 154 platser under dem i världens ranking.
Efter en burig första halvtimme gjorde de så småningom det med en blomstrande, bli det första laget att göra tre eller fler mål mot östeuropeiska minnows sedan Englands 4-0 seger 2013.
Efter att ha lett Wales till en första större turnering semi-final på Euro 2016, Coleman sade att han var "desperat" att följa denna prestation genom att kvalificera sig för 2018 VM i Ryssland.
Den tidigare Fulham manager och hans spelare vill säkerställa sina sommar bedrifter i Frankrike var inte en engångsföreteelse utan en språngbräda till varaktig framgång.
De stöddes av en typiskt högljudd Cardiff City Stadium publik på 31.731, nära kapacitet än en gång som en nation baskers i sin största fotbolls era.
Och även om den kom emot begränsat motstånd, var denna öppningsseger en uppmuntrande start då Wales strävar efter att avsluta en frånvaro från VM som sträcker sig tillbaka till 1958.
"Det var den perfekta starten," tidigare Wales internationella John Hartson sade på Radio 5 live. "Moldavien var hemsk, det var en bekväm seger som du kommer att se och bra start på kvalkampanjen."
Det fanns en förtrogenhet med Wales inledande oförmåga att bryta ner Moldavien; kämpar för att låsa upp ett djupt och ihärdigt försvar som de hade gjort mot Andorra och Israel under deras Euro 2016 kvalificeringskampanj.
Moldavien hade förlorat 14 av sina senaste 20 matcher men de är sällan pushovers och har medgett endast 26 mål i processen.
Men Wales dominans av ägande och territorium betalade så småningom utdelning efter 38 minuter då Bales korsning leddes in av Vokes.
Fem minuter senare, ett svagt försök klarering från Moldavien målvakt Ilie Cebanu hittade sin väg till Allen, som gjorde sitt första mål för Wales med en borrad halvvolley från kanten av straffområdet.
Bale hävdade Wales tredje mål under komiska omständigheter, som han fastnade på en fruktansvärd backpass från Moldaviens Ion Jardan innan klippa bollen prydligt bortom Cebanu.
Real Madrid framåt gjorde sin andra i tillägg tid, konvertera ett straff efter att han hade förts ner för att flytta inom fyra mål i Ian Rush Welsh rekord av 28.
Wales nästa fixtur kan vara den tuffaste av deras kvalificeringskampanj, bort mot grupp D andra frön Österrike den 6 oktober.
Österrike vann 2-1 i Georgien på måndag och, med Serbien och Republiken Irland ritar 2-2 i Belgrad, förväntas denna grupp vara vidöppen.
Sterner utmaningar väntar Colemans sida men denna seger - deras största vinnande marginal i ett konkurrenskraftigt spel sedan 2003 - kommer att lyfta förhoppningar om att kvalificera sig för en första VM på 60 år.
Matchen slutar, Wales 4, Moldavien 0.
Andra halvlek, Wales 4, Moldavien 0.
Mål!  Wales 4, Moldavien 0............................................................................................................................... Gareth Bale (Wales) konverterar straffet med en vänster fotad skott till nedre vänstra hörnet.
Straffet i Wales. Gareth Bale drar ett brott i straffområdet.
Straff medgavs av Andrian Cascaval (Moldavien) efter ett brott i straffområdet.
Offside, Wales. Gareth Bale försöker en genom boll, men Andy King fångas offside.
Försöket räddades. Hal Robson-Kanu (Wales) vänster fotade skott från vänster sida av lådan sparas i mitten av målet.
Gareth Bale (Wales) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Andrej Cojocari (Moldavien).
Joe Allen (Wales) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Aleksandru Gatcan (Moldavien).
Hal Robson-Kanu (Wales) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Andrian Cascaval (Moldavien).
Foul av James Chester (Wales).
Igor Bugaev (Moldavien) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Offside, Moldavien. Maxim Mihaliov försöker en genom boll, men Eugeniu Sidorenco fångas offside.
Substitution, Moldavien. Maxim Mihaliov ersätter Alexandru Dedov.
Emyr Huws (Wales) vinner en frispark på höger vinge.
Foul av Igor Armas (Moldavien).
Ersättning, Wales. James Collins ersätter Ashley Williams.
Försök missade. Andy King (Wales) höger fotade skott från utsidan lådan är nära, men missar till höger. Hjälpt av Emyr Huws.
Försök missade. Igor Armas (Moldava) vänster fotade skott utanför lådan är för hög. Hjälpt av Ion Jardan.
Substitution, Moldavien. Igor Bugaev ersätter Radu Ginsari.
Substitution, Moldavien. Eugeniu Sidorenco ersätter Eugeniu Cebotaru.
Ersättning, Wales. Hal Robson-Kanu ersätter Sam Vokes.
Försök missade. Gareth Bale (Wales) vänster fotade skott utanför lådan missar till vänster. Hjälpt av Emyr Huws.
Hörnet, Wales. Sammankallad av Alexandru Epureanu.
Hörnet, Wales. Sammankallad av Alexandru Dedov.
Hörnet, Wales. Sammankallad av Alexandru Epureanu.
Försök blockerat. Andy King (Wales) höger fotade skott från utsidan lådan är blockerad. Hjälpt av Joe Allen med ett nyckelkort.
Ersättning, Wales. Emyr Huws ersätter Joe Ledley.
Foul av Joe Ledley (Wales).
Radu Ginsari (Moldavien) vinner en frispark i anfallshalvan.
Offside, Moldavien. Jon Jardan försöker en genom boll, men Radu Ginsari fångas offside.
Joe Ledley (Wales) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Andrej Cojocari (Moldavien).
Joe Ledley (Wales) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Andrej Cojocari (Moldavien).
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i matchen Sam Vokes (Wales) på grund av en skada.
Wales startade sin VM-kampanj 2018 på ett självsäkert sätt eftersom de övertygande slog Moldavien.