Esordì come pugile professionista nel 1946, con una vittoria per KO su Lorenzo Pamio. Nel 1948 vinse il titolo italiano dei pesi medi e nel 1949 conquistò quello europeo. Il 12 luglio 1950, giorno del suo ventiquattresimo compleanno, provò a conquistare il mondiale affrontando a New York l'amico Jake LaMotta, l'italo-americano detto "il Toro del Bronx". Mitri perse disputando un durissimo incontro, resistendo comunque per 15 riprese; i maligni dissero che il motivo della sconfitta fosse stato psicologico, che fosse roso dalla gelosia perché la moglie, l'ex Miss Italia Fulvia Franco da lui sposata appena il 15 gennaio dello stesso anno, era ad Hollywood tentando di sfondare nel mondo del cinema. Tornato in Italia, il 2 maggio 1954 riconquistò il titolo europeo dei pesi medi battendo clamorosamente alla prima ripresa per KO tecnico un inglese ex campione del mondo , ma solo cinque mesi dopo lo perse nuovamente contro un francese .Nel frattempo era iniziata anche la carriera cinematografica: il suo primo film, I tre corsari, è del 1952. Nel 1954 si separò da Fulvia Franco, da cui nel 1951 aveva avuto il figlio Alessandro. Nel 1957, con 101 match disputati — 88 vittorie, 7 spareggi e 6 sconfitte, appese i guantoni al chiodo. Dieci anni dopo, ricordando la sua carriera di pugile, scriverà, nell'epilogo del suo libro La botta in testa. Nel 1959 fu nel cast de La grande guerra, al fianco di Vittorio Gassman e Alberto Sordi. In quel periodo apparve spesso anche in televisione, ospite di trasmissioni di varietà. Dopo il 1975 si può dire terminata anche la carriera cinematografica. Gli ultimi anni di vita furono segnati, oltre che da gravi problemi famigliari (la morte dei due figli: Alessandro, nel 1988 a 37 anni e Tiberia, avuta da un'attrice americana. Subì un progressivo deterioramento delle facoltà mentali, riconducibile sia ai traumi subiti negli incontri  e dall'alcolismo. Sul finire degli anni ottanta tornò a recitare a sorpresa nella serie tv Classe di ferro nel ruolo del pizzaiolo amico delle reclute. Anche stavolta il richiamo al pugilato era presente, infatti il suo personaggio era un ex pugile che non disdegnava di raccontare aneddoti della sua vita sul ring ai militari. Morì travolto da un treno locale sulla linea Roma-Civitavecchia, mentre camminava, presumibilmente in stato confusionale, lungo i binari nei pressi della Stazione Termini. Nel 2011 la RAI doveva mandare in onda su RaiUno la miniserie dal titolo Tiberio Mitri: Il campione e la miss, dedicata alla sua vita,  La messa onda, in prima visione, della miniserie era prevista inizialmente per il 6 ed il 7 marzo 2011 su Rai Uno, ma a pochi giorni dalla messa in onda la fiction è stata sospeva a scopo cautelativo, per via di una causa civile aperta dal nipote di Mitri per tutelare l'immagine dei nonni