Durante a Batalla de Chickamauga, Mitchell liderou unha brigada baixo James B. Steedman que chegou tarde o segundo día e xogou un papel importante en axudar a George H. Thomas a manter a súa posición de atraso no Horsehoe Ridge. Na batalla de Missionary Ridge preto de Chattanooga, Tennessee, Mitchell apoiou a columna de asalto do xeneral William T. Sherman. Máis tarde trasladouse ao relevo de Ambrose Burnside durante o asedio de Knoxville. Durante a Campaña de Atlanta de 1864, Mitchell liderou o avance nas posicións inimigas na Batalla de Rocky Face Ridge. O seu rexemento sufriu severamente na batalla de Resaca.
e xogou un papel destacado nas batallas de Dallas e New Hope Church. O seu antigo 113 perdeu máis de cen homes no asalto á montaña Kennesaw. Mitchell informou a Thomas e tomou o mando do destacado XIV Corpo durante a batalla de Nashville e a posterior persecución do exército confederado en retirada de John Bell Hood.