Mottelson s-a născut în Chicago, Illinois, fiul lui Georgia (Blum) și al lui Goodman Mottelson, un inginer. A absolvit liceul Lyons Township din LaGrange, Illinois. A obținut o diplomă de licență de la Universitatea Purdue în 1947 și un doctorat în fizică nucleară de la Universitatea Harvard în 1950.
În 1947