Mottelson va néixer a Chicago, Illinois, fill de Georgia (Blum) i Goodman Mottelson, un enginyer. Es va graduar a Lyons Township High School a LaGrange, Illinois. Va rebre un grau de llicenciat a la Universitat de Purdue el 1947, i un doctorat en física nuclear a la Universitat de Harvard el 1950.
El 1947