Părinții ei vitregi, Joseph Day Mitchell și mama ei, Josephine Marian Mitchell (născută Jenkins), sunt avocați cu sediul în Dallas. Mitchell și mama ei s-au mutat în Dallas, Texas, în 1970, unde mama ei s-a căsătorit cu Joseph Mitchell în 1975. Mitchell a absolvit Liceul Booker T. Washington pentru Arte Spectacol și Vizuale, o școală publică de tip magnet. Este cea mai mare dintre cele trei surori, celelalte fiind Kristina Helen "Kristie" Mitchell (n. 1977) și Katherine Day "Kate" Mitchell (n. 1981). În 1991, a absolvit Stephens College cu o diplomă de licență în Arte Frumoase în actorie, studiind de asemenea la British American Drama Academy. Mitchell a lucrat timp de șase ani la Dallas Theater Center și un an la Encore Theater.
Mitchell a avut un rol recurent ca psihiatru Dr. Kim Legaspi, prima iubită lesbiană a Dr. Kerry Weaver (Laura Innes) în sezonul 2000–01 al serialului TV ER. De asemenea, a jucat rolul coafezei/iubitei lui Angelina Jolie în filmul Gia.
În martie 2009, Entertainment Weekly a raportat că Mitchell a fost distribuită în noul pilot ABC pentru V, un remake al clasicului mini-serial de știință ficțiune. Deși oficialii de la ABC și Warner Bros. au spus revistei că a fost distribuită doar ca star invitat, anunțul a dus la speculații și îngrijorări că personajul lui Mitchell va fi eliminat la sfârșitul celui de-al cincilea sezon din Lost, care s-a încheiat cu un cliffhanger ce a lăsat soarta personajului ei necunoscută. Ulterior, Mitchell a fost numită actriță principală în V într-un comunicat de presă al ABC, iar diverse surse au raportat că va apărea ca star invitat în sezonul șase, final. Personajul lui Mitchell a fost eliminat în premiera sezonului șase, dar a revenit pentru finalul de serie în două părți, pentru