Mike Mitchell nasce a Oklahoma City, in Oklahoma, figlio di Julia Baker e dell'avvocato Robert Mitchell. Dopo aver studiato alla Putnam City North High School e successivamente si sposta a Los Angeles dove mette a frutto la sua passione e il suo talento nel disegno al California Institute of the Arts. Dopo aver lavorato con registi come Tim Burton e Spike Jonze (sono suoi i disegni di Z la formica, James e la pesca gigante e Monkey Bone) che lo influenzano notevolmente, comincia a lavorare come illustratore e disegnatore. Dopo aver realizzato il cortometraggio Frannie's Christmas (1993), diventa il regista della serie tv The Itsy Bitsy Spider (1994) e di un nuovo cortometraggio Herd (1999), mentre in parallelo si occupa dello sviluppo dell'animazione del cartone animato Loose Tooth (1997) di Lee McCaulla.

Il debutto alla regia
Il suo debutto sul grande schermo è segnato dalla commedia Gigolò per sbaglio (1999), pessimo film con Rob Schneider, William Forsythe, Eddie Griffin e Amy Poehler, prodotto dalla Buena Vista International. Passato alla DreamWorks Animation, firma un contratto per tre film: Natale in affitto (2004) che venne realizzato senza che la sceneggiatura fosse completata - infatti molti degli attori furono costretti a improvvisare - e che all'inizio doveva essere diretto da Jon Favreau (purtroppo già impegnato con Elf); Sky High - Scuola di superpoteri(2005) e (dopo aver lavorato al soggetto, allo storyboard e all'animazione del secondo e del terzo capitolo) Shrek e vissero felici e contenti (2010) con Mike Myers, Eddie Murphy, Cameron Diaz e Antonio Banderas, che però non esalta i fasti dei precedenti film.

Altri lavori
Fra gli altri lavori, è stato assistente alla produzione del film di David Lynch Inland Empire - L'impero della mente (2006) con Grace Zabriskie, Laura Dern, Jeremy Irons, Justin Theroux e Harry Dean Stanton, consulente creativo di Kung Fu Panda (2008) e doppiatore e disegnatore in Mostri contro Alieni (2009). Nel 2011 è sua la regia di Alvin Superstar 3 - Si salvi chi può!.