Mitchell fait ses études à l'université de Floride du Sud, jouant avec l'équipe de football américain de l'établissement, les Bulls. Le , il annonce son inscription pour le draft de la NFL de la saison prochaine.
Professionnel
Browns de Cleveland
Carlton Mitchell est sélectionné au sixième tour du draft de la NFL de 2010 par les Browns de Cleveland au 177e choix. Pour sa première saison en NFL, il entre au cours de cinq matchs mais il ne reçoit qu'une passe, parcourant neuf verges.
Le , il est libéré du camp d'entraînement du fait d'une blessure.
Jaguars de Jacksonville
Le , il retourne en NFL, sous le maillot des Jaguars de Jacksonville mais il ne fait que trois jours au sein de cette formation, avant d'être résilié.
Il est libéré le .
Cowboys de Dallas
Mitchell a signé avec les Cowboys de Dallas le . Il a été libéré le .