Em 6 de abril de 1917, os Estados Unidos declararam Guerra contra a Alemanha e Mitchell, agora no posto de Tenente-Coronel, foi imediatamente transferido para a França. Ele colaborou bastante com os comandantes de operações aéreas do Reino Unido e França, tais como o general Hugh Trenchard, estudando as estratégias bem como as aeronaves. Em pouco tempo, Mitchell já tinha experiência suficiente e começou a planejar as operações aéreas dos americanos. Mitchell rapidamente angariou reputação de um brilhante, elegante e incansável líder. Foi promovido ao posto de general-brigadeiro e assumiu o comando de todas as unidades aéreas americanas que lutavam na França. Em setembro de 1918 ele planejou e liderou cerca de 1 500 aeronaves britânicas, francesas e italianas nos combates aéreos da Batalha de Saint-Mihiel, uma das primeiras ofensivas conjugadas ar-terra da História.