Under Sommer-OL 2008 i Beijing konkurrerte Mitcham i 10 m tårn og 3 m svikt. Mitcham vant gull i 10 m tårn etter å ha oppnådd en score på 112.10 poeng i sitt siste stup, nok til å gå forbi Zhou Luxin fra Kina som lå i tet. Han er den første australske mannlige stuper som har vunnet olympisk gull i stuping siden 1924. Mitcham er åpent homofil.