Mottelson er fæddur í Chicago, Illinois, sonur Georgíu (Blum) og Goodman Mottelson, verkfræðings. Hann útskrifaðist frá Lyons Township High School í LaGrange, Illinois. Hann hlaut bachelor gráðu frá Purdue háskóla árið 1947 og doktorspróf í kjarnafræði frá Harvard háskóla árið 1950.
Árið 1947