Den 22-åriga klocka 19.95 sekunder som representerar Louisiana State University vid sydöstra konferensen (SEC) Championships i Tuscaloosa, Alabama.
John Regis satte det brittiska rekordet från 19.94 1993, medan Adam Gemili är den enda andra britterna som går under 20.
Mitchell-Blake berättade BBC Sport hans prestation var "överväldigande".
Regis klockade också en tid av 19.87 men detta ratificerades aldrig.
Han hade redan tävlat i två olympiska spel när han sprang under 20 sekunder.
Mitchell-Blake klockade sin tid har redan vunnit 100m samt förankrar sitt universitet till seger i 4x100m vid SEC Championships.
"De 200 är min favorit händelse", sade 2013 års europeiska junior mästare, som var synbart känslosam när man kontaktades för en intervju på banan.
Han sade att han ville tävla om Storbritannien vid OS i Rio i augusti men skulle fokusera på sin collegekarriär under de närmaste veckorna.
"Då kommer jag tillbaka till Storbritannien och försöka tävla om en plats på laget," tillade han.
Chijindu Ujah och James Ellington har också redan gått under 20.50-sekunders Olympic A-standard 2016.
Brittiska Mästerskapen äger rum i juni.
Netanel Mitchell-Blake missade det nationella rekordet med en hundradel av en sekund eftersom han blev bara den tredje Briton att köra sub 20 sekunder i 200m.