23-åringen från Banbridge klockade 15 minuter, 50.55 sekunder för att ta nästan tre sekunder från Duffys 1996 års mål på 15:53.47.
Mitchell var tredje i den brittiska Milers Club händelsen vanns av Louise Small av England i 15:42.47.
Irish Olympian Kerry O'Flaherty slutade sjunde i 16:32.56.
O'Flaherty sade efter loppet att hon hade en grad två kalv tår vid 1800m märket som krävde sjukhusbehandling.
Skadan kan hålla Newcastle-kvinnorna borta i flera veckor.
Mitchells tid var över en minut inne i hennes tidigare personliga bästa för avståndet.
QUB-idrottaren kommer nu att försöka uppnå Athletics Northern Ireland's Commonwealth Games betänketid på 15:39.00 före tidsfristen den 30 september.
Samtidigt, Nordirland Commonwealth Games sprinter Leon Reid visade imponerande tidig säsong form som han klockade vind-assisterade 100m gånger 10.26 och 10.27 i Waterford på lördag.
22-åringen, vars mor föddes i Belfast, hoppas kunna byta internationell behörighet från Storbritannien till Irland och har anslutit sig till Wexford Club Menapians.
Reid vann en europeisk junior 200m silvermedalj för Storbritannien 2013 och slutade också tvåa i samma händelse i Europa under 23 år för två år sedan.
Drottningens idrottsman Emma Mitchell slog Teresa Duffys 21-åriga Nordirlands rekord på ett möte i Solihull på lördag kväll.