Hjemmehåpet Zhou Luxin ledet med over 30 poeng etter de fem første finalestupene, men feilet da han skulle fullføre.
Hans siste stup var bare det åttende beste i den omgangen.
Mitcham grep sjansen og leverte et fantastisk sistestup med en vanskelighetsgrad på hele 3,8. Dommerne ga ham fire tiere.
Mitcham fikk 112,10 poeng for stupet, og med 537,95 totalt slo han Zhou med 4,8 poeng.
- Dette vil ta en tid å fordøye. Kinnene mine er ømme etter all smilingen, ansiktet svir på grunn av kloren, beina mine verker etter all hoppingen. Jeg har vondt og er sliten, men er veldig glad, sa den olympiske mesteren.
Klarte ikke femti gull
Kineserne hadde sju gull i skapet før finalen, og kunne bli den første nasjonen som vant samtlige individuelle gullmedaljer i et OL siden 1965.
I begynnelsen var jeg ikke nervøs og stupte bra. Det siste stupet var ikke bra fordi da kom nervene, sa en skuffet Zhou, som med seier ville sikret Kinas 50. gull i Beijing-OL.
Verdensmester Gleb Garperin fra Russland tok bronsen med 533,15 poeng.
