Элизабет Митчелл появилась на свет 27 марта 1970 года в Лос-Анджелесе, но выросла в Далласе – городе, расположенном в северо-восточной части Техаса, куда ее родители переехали почти сразу после рождения будущей известной актрисы. Они неплохо зарабатывали на жизнь, занимаясь риэлтерским бизнесом, в настоящее время у них есть собственная фирма. Две сестры Элизабет – Кристина Хелен и Кэтрин Дэй Митчелл, младше ее на 8 и 12 лет. Кстати, у доктора Кимберли Легаспи в сериале «Скорая помощь» (ER, 1994 – 2009), роль которой исполняла Элизабет, были подруги Кристи и Кейт – персонажи, получившие свои имена в честь сестер актрисы.
Семь лет Элизабет выступала на сценах театров, прежде чем дебютировала на телевидении, сыграв роль Дины Макензи в сериале «Бесконечная любовь» (Loving, 1994-1995). После этого Элизабет досталось несколько ролей в сериалах, не продержавшихся дольше первого сезона. В то время она встречалась с американским актером Дэвидом Ли Смитом и жила с ним на Манхэттене. Однако прочные отношения им построить не удалось, и они вскоре расстались.
Одной из первых заметных работ Митчелл стала роль Линды в биографической драме «Джиа» (Gia, 1998). В двухтысячном году Элизабет, играя Джулию Салливан в фантастическом триллере «Радиоволна» (Frequency), получила небольшую травму – перелом носа. В том же году она играла в криминальной кинокомедии «Сестричка Бетти» (Nurse Betty) с Рене Зеллвегер и Морганом Фрименом, а также влюбилась в Гари Бейкуэлла — своего партнера по съемочной площадке, мужа ее героини в фильме «История Линды Маккартни» (The Linda McCartney Story). В реальной жизни актеры были женаты недолго, их брак распался всего за один год. Неплохую популярность принесла Элизабет роль миссис Клаус во второй и третьей частях рождественской семейной комедии «Санта-Клаус» (The Santa Clause, 2002 и 2006). Через год после заключения брака с актером Крисом Солдевилья, родила в 2005 году сына Кристофера. Но и этот брак актрисы закончился разводом, спустя девять лет совместной жизни. В медицинской драме «Доктор Хаус» (House, M. D. 2004-2012) Элизабет играла сестру Мэри Августин, а в фэнтези «Однажды в сказке» (Once Upon a Time, 2011) — Снежную Королеву Ингрид. Но наибольшую известность, разумеется, принесла ей роль специалиста по бесплодию Джульет Бёрк в многосерийной робинзонаде «Остаться в живых» (Lost, 2004-2010). В 2016 году Элизабет Митчелл вошла в основной актерский состав сериала «Разгар лета» (Dead Of Summer).