Im Juli 2014 verkündete er seinen Wechsel in die NBA, wo er bei den Chicago Bulls unterschrieb. In seiner Rookie-Saison bei den Bulls spielte Mirotić eine wichtige Rolle als Einwechselspieler. Beim All-Star Weekend nahm er an dem Rookie-Sophomore-Spiel ("Rising Stars Challenge") teil, das erstmals als Team World gegen Team USA ausgetragen wurde. Er trug 16 Punkte zum Sieg der Weltauswahl bei. Im März trug er maßgeblich dazu bei, dass die Bulls trotz des Verlusts ihrer Leistungsträger Derrick Rose, Jimmy Butler und Taj Gibson ihren Platz in der Tabelle halten konnten und wurde als Kandidat auf den Titel des Rookies des Jahres und des besten sechsten Manns gehandelt. Am Ende der Saison verzeichnete er durchschnittlich 10,2 Punkte, 4,9 Rebounds und 1,2 Assists in 20,2 Spielminuten und wurde hinter Andrew Wiggins Zweiter bei der Wahl des Rookie des Jahres. Zudem wurde er ins NBA All-Rookie First Team gewählt. In den Play-offs war er weniger erfolgreich und verzeichnete nur 5,7 Punkte und 2,7 Rebounds je Begegnung bei einer durchschnittlichen Spielzeit von 14,6 Minuten.