Med bitko pri Chickamaugi je Mitchell vodil brigado pod Jamesom B. Steedmanom, ki je prispela pozno na drugi dan in igrala vodilno vlogo pri pomoči Georgu H. Thomasu pri zadrževanju položaja na Horsehoe Ridgeu. V bitki pri Missionary Ridge blizu Chattanooge v Tennesseeju je Mitchell podprl kolono generala Williama T. Shermana. Kasneje je med obleganjem Knoxvilla pomagal Ambrosu Burnsidu. Med kampanjo v Atlanti leta 1864 je Mitchell vodil napad na sovražnike v bitki pri Rocky Face Ridgeu. Njegov polk je hudo trpel v bitki pri Resaci.
Igral je pomembno vlogo v bitkah za Dallas in New Hope Church. Njegova stara 113. je izgubila več kot sto mož v napadu na Kennesaw Mountain. Mitchell je poročal Thomasu in prevzel poveljstvo nad XIV. korpusu med bitko za Nashville in nadaljnjim zasledovanjem umikajoče se konfederacijske vojske Johna Bell Hooda.