Durante la battaglia di Chickamauga, Mitchell guidò una brigata sotto James B. Steedman che arrivò tardi il secondo giorno e giocò un ruolo di primo piano nell'aiutare George H. Thomas a mantenere la sua posizione in ritardo sulla Horsehoe Ridge. Nella battaglia di Missionary Ridge vicino a Chattanooga, nel Tennessee, Mitchell sostenne la colonna d'assalto del maggiore generale William T. Sherman. In seguito si trasferì al sollievo di Ambrose Burnside durante l'assedio di Knoxville. Durante la campagna di Atlanta del 1864, Mitchell guidò l'avanzata sulle posizioni nemiche nella battaglia di Rocky Face Ridge. Il suo reggimento ha sofferto gravemente nella battaglia di Resaca
e ha giocato un ruolo di primo piano nelle battaglie di Dallas e New Hope Church. Il suo vecchio 113 ha perso oltre cento uomini nell'assalto al Kennesaw Mountain. Mitchell riferì a Thomas e prese il comando del distaccato XIV Corpo durante la battaglia di Nashville e il successivo inseguimento dell'esercito confederato in ritirata di John Bell Hood.