ในคืนวันที่ 1 ตุลาคม 1847 เวลา 22.50 นาฬิกา มารีอาใช้กล้องโทรทรรศน์หักเห Dollond ที่มีรูรับแสง 3 นิ้ว ทางยาวโฟกัส 46 นิ้ว[12][13] ค้นพบดาวหาง 1847 VI ปัจจุบันเรียก C/1847 T1 และต่อมารู้จักในชื่อ "ดาวหางมิสมิตเชลล์"[14][15] การค้นพบของมิตเชลล์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารภายใต้ชื่อพ่อของเธอ[16] ในเดือนมกราคม 1848 เดือนต่อมาเธอก็ส่งการคำนวณวงโคจรของดาวหาง เพื่อยืนยันว่าสิทธิของเธอในการเป็นผู้ค้นพบคนแรก[17] ในปีนั้นเธอได้รับการเฉลิมฉลองที่ Senaca Falls Convention สำหรับการค้นพบและการคำนวณ[17]

เมื่อหลายปีก่อนหน้าการค้นพบดางหางของมารีอา กษัตริย์ พระเจ้าเฟรเดอริกที่ 6 แห่งเดนมาร์ก ได้สร้างรางวัลเหรียญทองให้กับผู้ค้นพบ "ดาวหางด้วยกล้องโทรทรรศน์" (เพราะมันจางมาก จนแทบจะมองไม่เห็นด้วยได้ตาเปล่า) ทุกคน โดยรางวัลนี้จะมอบให้กับ "ผู้ค้นพบคนแรก" ของดาวหางแต่ละดวง (เพราะว่าดาวหางมักจะถูกค้นพบโดยบุคคลมากกว่าหนึ่งคน) มารีอามิตเชลล์ได้รับรางวัลเหรียญทองนี้และทำให้เธอโด่งดังไปทั่วโลก เนื่องจากมีผู้หญิงเพียงสองคนก่อนหน้านี้ที่ค้นพบ ดาวหาง คือนักดาราศาสตร์ Caroline Herschel และ Maria Margarethe Kirch การค้นพบของมารีอาและการได้การยอมรับจากรัฐบาลเดนมาร์ก ทำให้นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้รับการยอมรับในยุโรป ซึ่งก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันมักถูกดูถูกโดยนักดาราศาสตร์ชาวยุโรป

ภายหลังได้เกิดปัญหาขึ้นชั่วคราว เนื่องจาก Francesco de Vico ได้ค้นพบดาวหางตัวเดียวกัน หลังจากการค้นพบของมารีอาได้เพียง 2 วัน แต่ได้รายงานไปยังเจ้าหน้าที่ของยุโรปก่อน แต่สุดท้ายแล้วปัญหานี้ ก็ได้รับการแก้ไข และมิตเชลล์ก็ได้รับพระราชทานรางวัลโดย Christian VIII องค์ใหม่ ในปี 1848[18]ในที่สุด