Au cours de la bataille de Chickamauga, Mitchell mène une brigade sous les ordres de James B. Steedman qui arrive en retard le deuxième jour, et joue un rôle de premier plan en aidant George H. Thomas, en se maintenant sur se position de retardement au sommet de Horseshoe Ridge. Lors de la bataille de Missionary Ridge près de Chattanooga, dans le Tennessee, Mitchell soutient une colonne d'assaut du major général William T. Sherman. Plus tard, il part pour secourir Ambrose Burnside pendant le siège de Knoxville. Au cours de la campagne d'Atlanta en 1864, Mitchell mène l'avance contre les positions ennemies lors de la bataille de Rocky Face Ridge. Son régiment souffre gravement lors de la bataille de Resaca et joue un rôle important lors des batailles de Dallas et de New Hope Church. Son vieux 113th Ohio perd plus d'une centaine d'hommes lors de l'assaut de Kennesaw Mountain. Mitchell rend compte à Thomas et prend le commandement du XIVe corps détaché pendant la bataille de Nashville et la poursuite subséquente de l'armée confédérée en retraite de John Bell Hood.