V roku 1952 dokončil štúdium priemyselnej organizácie práce na Carnegie Institut of Technology. Potom nastúpil na základnú vojenskú službu k námornému letectvu. Skončil ju ako aktívny dôstojník, prežil dva roky na lietadlovej lodi, slúžil v Tichomorí, na Okinave a v roku 1958 sa vrátil do Spojených štátov. Stal sa testovacím pilotom v 5. prieskumnej eskadre. Absolvoval štúdium na postgraduálnej škole vojenského námorníctva (U.S. Naval Postgraduate School), v roku 1961 ju skončil ako letecký inžinier. Potom začal študovať na Massachusettskej technickej univerzite (Massachusetts Institute of Technology) a do služby sa vrátil v roku 1964 ako doktor leteckých a astronautických vied. Stal sa vedúcim koordinačného oddelenia pre spoluprácu vojenského letectva na projekte vojenskej orbitálnej družice MOL. Potom nasledoval výcvik vo vojenskej škole pre kozmických výskumných pilotov a dňa 4. apríla1966 bol prijatý medzi amerických astronautov.
Let na Mesiac
Mitchell odštartoval v kozmickej lodi Apollo 14 z Kennedyho vesmírneho strediska spoločne s americkými astronautmi Alanom Shepardom a Stuartom Roosom. Dňa 5. februára1971 pristáli na Mesiaci v oblasti Fra Mauro. Na Mesiac vystúpil ako šiesty človek zo Zeme hneď po Shepardovi ešte v ten istý deň. Spoločne po 33 hodinách pobytu v poriadku odštartovali na spiatočnú cestu k lodi, ktorá obiehala po obežnej dráhe okolo Mesiaca, odtiaľ celá trojica odletela späť k Zemi. Pristáli v kabíne na padákoch na hladine Tichého oceánu. Celkovo strávil vo vesmíre 9 dní a 1 minútu.
Bol rozvedený a mal dve deti. Aj keď bol chorý a v nemocnici sa podrobil operácii, zúčastnil sa krátko po nej 4. novembra 2005 vo Švajčiarsku Svetového záhadologického fóra (World Mystery Forum).
V júli 2008 vystúpil v britskej rozhlasovej stanici Kerrang! Radio s vyhlásením, že mimozemšťania existujú. Podľa neho navštívili Zem hneď niekoľkokrát, ale vlády ich prítomnosť už šesť desaťročí držia v tajnosti. Sedemdesiatsedemročný Mitchell dodal, že podľa zdrojov NASA, ktoré kontakt s mimozemšťanmi zaznamenali, sú obyvatelia cudzích planét „malí mužíčkovia, ktorí sú pre nás čudní“. NASA jeho tvrdenia odmietla.
V roku 2011 NASA zažalovala 80-ročného Mitchella za údajný pokus predať kameru a fotografie z jeho misie k Mesiacu na burze. Záležitosť bola vyriešená tým, že Mitchell kameru daroval Národnému leteckému a kozmickému múzeu vo Washingtone D.C.