Během bitvy u Chickamaugy vedl Mitchell brigádu pod velením Jamese B. Steedmana, která dorazila pozdě druhého dne a hrála hlavní roli při pomoci George H. Thomasovi udržet se na jeho pozici na Horsehoe Ridge. V bitvě u Missionary Ridge poblíž Chattanooga v Tennessee Mitchell podporoval útočnou kolonu generála Williama T. Shermana. Později se přestěhoval do úlevy Ambrose Burnside během obléhání Knoxville. Během kampaně v Atlantě v roce 1864 vedl Mitchell v bitvě u Rocky Face Ridge postup na nepřátelské pozice. Jeho pluk těžce utrpěl v bitvě u Resaca.
a hrál významnou roli v bitvách u Dallasu a New Hope Church. Jeho stará 113. ztratila přes sto mužů při útoku na Kennesaw Mountain. Mitchell se hlásil Thomasovi a převzal velení odděleného XIV sboru během bitvy o Nashville a následného pronásledování ustupující armády John Bell Hood.