II wojna światowa Od czerwca 1939 do lipca 1941 był zastępcą szefa Biura Lotnictwa Morskiego, ale wkrótce został zaokrętowany na lotniskowiec „Hornet”, a w październiku 1941 przejął dowodzenie okrętu. Pod jego dowództwem „Hornet” dokonał słynnego Rajdu Doolittle'a przeciw Japonii.
Mitscher dowodził „Hornetem” podczas bitwy pod Midway w dniach 4-6 czerwca, ale nie spisał się dobrze. Grupa lotnicza wysłana z „Horneta” jako jedyna nie odnalazła lotniskowców japońskich, z wyjątkiem jednego dywizjonu torpedowych Devastatorów, który samowolnie odłączył się od grupy, lecz z powodu braku eskorty myśliwskiej nad celem, stracił wszystkie 15 samolotów i 29 lotników. Reszta grupy nie odnalazła wroga i poszła w rozsypkę, po czym z braku paliwa stracono 14 samolotów i 2 pilotówMichał Kopacz: Stracona szansa (2), w: Morze, Statki i Okręty nr 7/2010, s.38-46. Zdaniem części autorów, Mitscher mógł sugerować lub polecić dowódcy grupy Stanhope Ringowi lot w rejon, gdzie miał nadzieję napotkać drugi zespół japońskich lotniskowców, którego jednak w ogóle nie było. Niektórzy autorzy sugerują, że później tuszował on wraz z Ringiem swój błąd, na co jednak nie ma jednoznacznych dowodów.