ia pindah ke Institut Fisika Teoretis di Kopenhagen, Denmark dengan Beasiswa Perjalanan Sheldon dari Harvard, di mana ia mulai bekerja sebagai fisikawan nuklir. Komisi Energi Atom AS mengikuti dengan beasiswa lain yang memberi Mottleson lebih banyak waktu untuk mengerjakan riset di Kopenhagen. Pada 1953, ia menerima posisi riset di Organisasi Riset Nuklir Eropa. Pada 1957, ia menjadi profesor di Institut Fisika Atom Teoretis Nordik yang baru dibentuk di Kopenhagen.