16 февраля 1847 года назначен на должность главного хирурга. Участвовал в мексиканской войне: работал в госпитале в Корпус-Кристи, штат Техас, откуда в составе войск под командованием генерала Закари Тейлора дошёл до . Принимал раненых после сражения при Пало-Альто: солдаты по большей части умирали от болезней, а не от боевых ран, в связи с чем Миллс разработал особые правила поведения в армейском лагере — сжигать или закапывать отходы, отгонять москитов, мыться как можно чаще, причём ниже по течению реки от места забора питьевой воды. Позже возглавлял госпиталь в Пуэбле, которая была осаждена войсками Санта-Анны. Так как гарнизон составлял всего восемь сотен человек, из полторы тысяч больных Миллс отобрал тех, кто был в состоянии держать оружие и организовал из них ополчение, внёсшее значительный вклад в защиту города. Оставил военный дневник, в котором описал также и мексиканские пейзажи.