W czasie bitwy pod Chickamauga, Mitchell dowodził brygadą pod dowództwem Jamesa B. Steedmana, która przybyła późno drugiego dnia i odegrała wiodącą rolę w pomaganiu George'owi H. Thomasowi w utrzymaniu pozycji na Horsehoe Ridge. W bitwie pod Wzgórzem Misjonarskim w pobliżu Chattanoogi w stanie Tennessee, Mitchell wspierał kolumnę szturmową generała majora Williama T. Shermana. Później przeniósł się do Ambrose'a Burnside'a podczas oblężenia Knoxville. Podczas kampanii atlantańskiej w 1864 roku, Mitchell poprowadził atak na pozycje wroga w bitwie pod Rocky Face Ridge. Jego pułk poważnie ucierpiał w
Odgrywał ważną rolę w bitwach pod Dallas i New Hope Church. Jego stara 113. straciła ponad sto ludzi w ataku na Kennesaw Mountain. Mitchell zgłosił się do Thomasa i przejął dowództwo oddzielnym XIV Korpusem podczas bitwy pod Nashville i późniejszego pościgu za wycofującą się armią Konfederacji Johna Bell Hooda.