Mottelson sündis Chicagos, Illinois, Georgia (Blum) ja Goodman Mottelsoni, inseneri poeg. Ta lõpetas Lyons Township High School LaGrange, Illinois. Ta sai bakalaureusekraadi Purdue ülikoolist 1947. aastal ja Ph.D. tuumafüüsika Harvard University 1950.
1947. aasta