Alistado en el ejército en 1811, sirvió en la Península Ibérica y se convirtió en experto en agrimensura militar. Tras las guerras napoleónicas, aceptó el cargo de Agrimensor General de Nueva Gales del Sur (Australia). Allí topografió la Gran Ruta Norteña, y en 1834 se le encargó topografiar 19 condados, tarea que realizó con tal precisión que fue hecho caballero. Relacionado con esta tarea, Mitchell realizó cuatro expediciones siguiendo el curso de los ríos Darling y Murray. Ya jubilado, publicó los relatos de sus expediciones, como <i>Three Expeditions Into the Interior of Eastern Australia: with descriptions of the recently explored region of Australia Felix, and of the present colony of New South Wales</i>.