Originaria de Australia, Mitchell destacó muy pronto en su carrera por su magnífica interpretación de Syd, una joven trabajadora de una editorial que se enamora de la fotógrafa heroinómana interpretada por Ally Sheedy, en el aclamado drama de Lisa Cholodenko, High Art. Su papel en la comedia romántica Amor y otras catástrofes, de Emma-Kate Croghan, también recibió magníficas críticas en los festivales de Cannes y Sundance.

Desde entonces, Mitchell ha aparecido en películas como Silent Hill, donde es la protagonista junto a Sean Bean; Descubriendo Nunca Jamás, junto a Johnny Depp, Kate Winslet y Dustin Hoffman; El fuego de la venganza con Denzel Washington; Última llamada con Colin Farrell; y Pitch Black, junto a Vin Diesel.

Para la televisión, Mitchell protagonizó Rebelión en Polonia junto a Donald Sutherland y Hank Azaria, una miniserie con un gran recibimiento por parte de la crítica.

Actualmente reside en California.