Joan Mitchell nasce a Chicago il 12 febbraio 1925. Studia letteratura inglese allo Smith College a Northampton, Massachusetts, quindi pittura all'Art Institute di Chicago. Nei suoi primi lavori si osserva l'interesse per Henri Matisse, Paul Cézanne e i muralisti messicani José Clemente Orozco e David Alfaro Siqueiros, entrambi conosciuti in occasione di un viaggio a Guanajuanto, Messico, effettuato grazie a una borsa di studio. Nel 1948 è in Europa (Francia, Italia, Spagna). I lavori di questo periodo testimoniano l'influenza di Cézanne, Vasily Kandinsky e Vincent van Gogh.

Nel 1950 si trasferisce a New York e di lì a poco abbandona la figura per dedicarsi al paesaggio, in un linguaggio stilizzato e astratto che la allinea ad artisti dell'Espressionismo astratto, come Willem de Kooning, Arshile Gorky, Franz Kline. Entra nell'Artists’ Club e nel 1951 partecipa alla mostra "Ninth Street Show" organizzata dal Club e da Leo Castelli. Nel 1955 raggiunge a Parigi il pittore Jean-Paul Riopelle, con il quale si trasferisce a Vétheuil, vicino a Giverny, nel 1968. Nel 1957 partecipa alla mostra "Artists of the New York School: Second Generation", che si tiene al Jewish Museum, New York.

Negli anni seguenti continua a esporre opere di grandi dimensioni, costituite da più tele. Nel 1974 il Whitney Museum of American Art organizza una retrospettiva sulle opere realizzate negli ultimi dieci anni. Nel 1982 il Musée d’Art Moderne de la Ville de Paris le dedica la prima mostra mai dedicata dal museo a un'artista donna americana. Un'importante retrospettiva organizzata nel 1988 dall'Herbert F. Johnson Museum of Art della Cornell University, Ithaca, New York, viene poi esposta alla Corcoran Gallery of Art, Washington, D.C., al San Francisco Museum of Modern Art, all'Albright-Knox Art Gallery, Buffalo, New York. Mitchell muore il 30 ottobre 1992 a Neuilly-sur-Seine, Francia.