Po odbyciu służby na niszczycielach USS „Whipple” i USS „Stewart” we wrześniu 1915 roku, Mitscher został skierowany na kurs pilotażu w bazie Lotnictwa Morskiego w Pensacola na Florydzie, gdzie jako jeden z pierwszych odbywał loty startując z pokładu umieszczonego nad lufami dział głównych krążownika USS „North Carolina”, pierwszego okrętu US Navy przystosowanego do takich operacji. 2 czerwca 1916 roku Mitscher otrzymał stopień pilota morskiego. W rok później brał udział − na pokładzie USS „Huntington” − w próbach z katapultami lotniczymi. Wreszcie, w lutym 1919 roku, został przeniesiony do sekcji lotniczej w Biurze Operacji Morskich.

Okres międzywojenny 10 maja 1919 roku, jako pilot łodzi latającej Curtiss NC-1, wystartował z Nowej Fundlandii do lotu eskadry trzech samolotów przez Atlantyk. Jego samolot oraz towarzyszący mu NC-3 wylądowały w gęstej mgle na Azorach, ale sztorm nie pozwolił im kontynuować podróży do Europy (lot ukończył samolot NC-4).

W latach następnych Mitscher służył na pokładach lotniskowców USS „Langley” i USS „Saratoga”, a także transportowca wodnosamolotów „Wright”.