Mottelson lahir di Chicago, Illinois, anak dari Georgia (Blum) dan Goodman Mottelson, seorang insinyur. Ia lulus dari Lyons Township High School di LaGrange, Illinois. Ia menerima gelar Sarjana dari Universitas Purdue pada tahun 1947, dan gelar Ph.D. dalam fisika nuklir dari Universitas Harvard pada tahun 1950.
Tahun 1947