Mitchell, Tochter einer französisch stämmigen Mutter und eines Australiers, wuchs mit zwei älteren Brüdern in Australien auf.[1] Sie ist eine Cousine der Schauspielerin Radha Mitchell.[2] Mitchell nahm ab ihrem vierten Lebensjahr Ballettunterricht und übte es zwölf Jahre aus. Sie besuchte die Universität Melbourne um Jura zu studieren, schloss ihr Grundstudium aber in Kunst im Fach Medienkommunikation ab. Anschließend zog sie nach Los Angeles, um sich der Schauspielerei zu widmen.
Während ihres Studiums spielte sie in mehreren Kurzfilmen australischer Produktionen mit und war in jeweils einer Episode der australischen Fernsehserien Rush und Offspring zu sehen. Mit ihrem Umzug in die USA bekam sie eine Rolle in der Serie Hemlock Grove. Eine größere Bekanntheit erlangte sie durch ihre Rolle der Liv Parker in der Fernsehserie The Vampire Diaries.