Tijdens de Slag bij Chickamauga leidde Mitchell een brigade onder James B. Steedman die laat op de tweede dag aankwam en een leidende rol speelde in het helpen van George H. Thomas bij het vasthouden van zijn uitstelpositie bovenop Horsehoe Ridge. In de Slag bij Missionary Ridge bij Chattanooga, Tennessee, ondersteunde Mitchell de aanvalscolonne van majoor-generaal William T. Sherman. Later verhuisde hij naar de hulp van Ambrose Burnside tijdens het beleg van Knoxville. Tijdens de Atlanta-campagne van 1864 leidde Mitchell de opmars op de vijandelijke posities in de Slag bij Rocky Face Ridge. Zijn regiment leed zwaar in de Slag bij Resaca.
en speelde een prominente rol in de slag om Dallas en New Hope Church. Zijn oude 113e verloor meer dan honderd man in de aanval op Kennesaw Mountain. Mitchell rapporteerde aan Thomas en nam het commando over het afzonderlijke XIV Korps tijdens de Slag bij Nashville en de daaropvolgende achtervolging van het terugtrekkende Confederatie-leger van John Bell Hood.