Mottelson lahir di Chicago, Illionis, putra ti Georgia (Blum) jeung Goodman Mottelson, saurang insinyur. Anjeunna lulus ti Lyons Township High School di LaGrange, Illionis. Anjeunna meunang gelar Sarjana ti Universitas Purdue dina taun 1947, sarta gelar Ph.D. dina fisika nuklir ti Universitas Harvard dina taun 1950.
Taun 1947