Mittenaere lahir pada 25 Januari 1993 di Lille, dari pasangan Yves Mittenaere, seorang profesor sejarah dan geografi, serta Laurence Druart, guru sekolah dan dosen. Dia memiliki saudara perempuan, saudara laki-laki, dan saudara perempuan tiri. Orangtuanya berpisah ketika ia berusia tiga tahun.[2]
Mittenaere bersekolah di Steenvoorde, di mana ia tinggal bersama ibunya.[2] Pada tahun 2011, ia lulus dari lycée dengan gelar dalam Ilmu Pengetahuan Alam. Setelah lulus, ia kembali ke Lille, di mana ia berkuliah di Lille 2 University of Health and Law, menjalani studinya di bidang Kedokteran Gigi. Ia berencana menjadi seorang ahli bedah gigi setelah lulus.[3]
Mittenaere berkompetisi di Miss Universe 2016 di mana ia berhasil menjadi pemenang dan menggantikan Miss Universe 2015Ariadna Gutiérrez dari Kolombia.[5][6] Ketika ia memenangkan final Miss Universe, ia menjadi pemenang (resmi) pertama dari Eropa sejak tahun 1990 (Miss Universe 2003, Oxana Fedorova dari Rusia seharusnya menjadi pemenang Eropa pertama sejak 1990, namun ia dilengserkan). Ia menjadi wanita Prancis kedua dalam sejarah yang berhasil memenangkan mahkota Miss Universe setelah Christiane Martel memenangkannya di Miss Universe 1953, mengakhiri puasa gelar Prancis selama 63 tahun. Mittenaere juga menjadi delegasi Prancis ketiga yang berhasil masuk dalam 5 Besar kompetisi Miss Universe, setelah Flora Coquerel pada tahun 2015 dan Christiane Martel pada tahun 1953.
Setelah menyelesaikan masa jabatannya sebagai Miss Universe, Mittenaere menjabat sebagai presiden juri bersama Jean-Paul Gaultier pada kontes Miss France2018. Ia juga tampil di panggung bersama dengan lima finalis sebagai bagian dari babak pakaian renang dalam kompetisi tersebut.[10]