Высшее образование Билли Митчелл получал в Колумбийском Колледже Университета Джорджа Вашингтона (Columbian College of George Washington University).
В 18 лет Уильям стал рядовым армии и отправился на испано-американскую войну; впрочем, благодаря связям отца он был довольно быстро комиссован и отправился в войска связи. После прекращения военных действия Митчелл остался в армии. Известно, что в 1906-м, в бытность инструктором в школе военных связистов (Army's Signal School) в Форт-Ливенворт (Fort Leavenworth), штат Канзас (Kansas), он предсказал, что в будущем война будет вестись не столько на земле, сколько в воздухе.
Связи и происхождение помогли Билли стать чуть ли не первым жителем Висконсина, увидевшим полет братьев Райт (Wright brothers). В 1908-м, будучи еще совсем молодым офицером-связистом, Митчелл наблюдал за демонстрационным полетом Орвилла Райта (Orville Wright) в Форт-Майер (Fort Myer), штат Вирджиния (Virginia). Через некоторое время Уильям отправился в авиационную школу Кёртисса (Curtiss Aviation School) в Ньюпорт-Ньюс (Newport News), Вирджиния (Virginia); одним из его учителей здесь был сам Уолтер Лис (Walter Lees), легендарный воздухоплаватель из Мэзоменьи (Mazomanie), Висконсин.
Митчелл попал в генеральный штаб армии в 32 года – возраст для такой должности довольно небольшой. Он всерьез заинтересовался авиацией и даже вступил в ряды Дивизиона Аэронавтов (Aeronautical Division) при войсках связи. В будущем именно из этого дивизиона и вырастет ВВС США. В 1916-м Уильям поступил на частные летные курсы – в армии его учить не стали, поскольку сочли слишком старым.
Во время Первой мировой Митчелл служил во Франции; к концу боевых действий он успел поработать практически со всем, что летало тогда на вооружении американской армии. После войны он стал заместителем начальника Воздушной Службы (Air Service); именно Уильям сумел существенно увеличить приток инвестиций в эту отрасль. Митчелл был уверен, что ВВС окажутся жизненно необходимыми в войнах будущего; так, именно он доказал, что бомбардировщики способны уничтожать боевые суда, проведя ряд тестовых атак на тренировочные макеты кораблей.
Многие не любили Митчелла за его критический подход ко всему вокруг; в 1925-м ему вернули звание полковника. В том же году он предстал перед судом за нарушение субординации – Уильям назвал лидеров армии и флота 'практически предателями национальной обороны'. Чуть позже Митчелл оставил военную службу.
После смерти Уильям получил целый ряд наград – в частности, президент лично дал ему звание генерал-майора. Кроме того, Митчелл удостоился уникальной чести – его именем назвали военный самолет, 'B-25 Mitchell'.