Under slaget ved Chickamauga ledede Mitchell en brigade under James B. Steedman, som ankom sent på den anden dag og spillede en ledende rolle i at hjælpe George H. Thomas med at holde fast i sin forsinkede position på Horsehoe Ridge. I slaget ved Missionary Ridge nær Chattanooga, Tennessee, støttede Mitchell generalmajor William T. Shermans angrebskolonne. Senere flyttede han til Ambrose Burnsides afhjælpning under belejringen af Knoxville. Under Atlanta-kampagnen i 1864 førte Mitchell fremrykningen på fjendens positioner i slaget ved Rocky Face Ridge. Hans regiment led hårdt ved
Slaget ved Resaca og spillede en fremtrædende rolle i slagene ved Dallas og New Hope Church. Hans gamle 113. tabte over hundrede mænd i angrebet på Kennesaw Mountain. Mitchell rapporterede til Thomas og overtog kommandoen over det løsrevne XIV Korps under Slaget ved Nashville og den efterfølgende forfølgelse af John Bell Hoods træktende konfødererede hær.