Durant la Batalla de Chickamauga, Mitchell va liderar una brigada sota James B. Steedman que va arribar tard el segon dia i va jugar un paper destacat en ajudar George H. Thomas a mantenir la seva posició de retard al cim de Horsehoe Ridge. A la batalla de Missionary Ridge prop de Chattanooga, Tennessee, Mitchell va donar suport a la columna d'assalt del major general William T. Sherman. Més tard es va traslladar al relleu d'Ambrose Burnside durant el setge de Knoxville. Durant la Campanya d'Atlanta de 1864, Mitchell va liderar l'avanç sobre les posicions enemigues a la Batalla de Rocky Face Ridge. El seu regiment va patir severament a la Batalla de Resaca
i va jugar un paper destacat en les batalles de Dallas i New Hope Church. El seu antic 113 va perdre més de cent homes en l'assalt a la Muntanya Kennesaw. Mitchell va informar a Thomas i va prendre el comandament del destacat XIV Cos durant la Batalla de Nashville i la posterior persecució de l'exèrcit confederat en retirada de John Bell Hood.