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Mortelmans étudia à l'école de musique flamande d'Anvers : l'orgue auprès de Joseph Callaerts, le contrepoint et la fugue auprès de Joseph Tilborghs, l'harmonie auprès de Jan Blockx, et, après la fin de ses études à cet institut en 1887, la composition musicale et l'orchestration auprès de Peter Benoit.
Voulant obtenir un diplôme de fin d'études à un conservatoire royal, il demanda, début septembre 1887, à son professeur Blockx d'intervenir comme médiateur auprès d'Arthur De Greef pour qu'il pût étudier à Bruxelles.
Le 27 septembre 1887, Mortelmans s'inscrivit au Conservatoire royal de Bruxelles dans la classe de piano de De Greef et au cours de contrepoint d'Hubert Ferdinand Kufferath. Mortelmans voulait sans doute se perfectionner auprès de Kufferath pour se préparer au Prix de Rome. En effet, Kufferath avait la réputation de préparer intensivement de jeunes compositeurs à ce prestigieux Prix d'État de musique.