Il remporte son premier titre de champion des États-Unis du 100 m en 1992, performance qu'il rééditera en 1994 et 1996. Lors des Jeux olympiques d'été de 1992 de Barcelone, Dennis Mitchell termine troisième de la finale du 100 m en 10 s 04. Quelques jours plus tard, il s'impose une nouvelle fois avec ses coéquipiers du relais 4 × 100 m (Marsh, Burrell et Lewis) en établissant un nouveau record du monde en 37 s 40. Il obtient ces mêmes résultats l'année suivante lors des Championnats du monde de Stuttgart.