Raná kariéra
Před vstupem do UFC Diaz závodil především v organizaci World Extreme Cagefighting (WEC). V roce 2006 se v rámci WEC 24 utkal o titul šampiona WEC v lehké váze s tehdejším šampionem Hermesem Francou, který prohrál ve druhém kole submisí. Jednalo se o poslední akci pořádanou organizací WEC předtím, než ji převzala společnost Zuffa, LLC, tehdejší mateřská společnost UFC.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz byl účastníkem soutěže The Ultimate Fighter 5, v níž bojovaly výhradně lehké váhy, a to v týmu Jense Pulvera. V předkole Diaz porazil Roba Emersona submisí; ve čtvrtfinále porazil kolegu z Pulverova týmu Coreyho Hilla submisí trojúhelníkového škrcení v prvním kole. V semifinále Diaz porazil člena týmu Penn Graye Maynarda a postoupil do finále, v němž se utkal s týmovým kolegou Manvelem Gamburyanem. Diaz zvítězil podáním poté, co byl Gamburyan nucen ve druhém kole odstoupit kvůli vykloubení pravého ramene v důsledku pokusu o takedown. Díky tomuto vítězství Diaz vyhrál soutěž The Ultimate Fighter 5.
2008
Po porážce Alvina Robinsona a Juniora Assuncãa prostřednictvím submisí si Diaz vyžádal těžší soupeře. Na UFC Fight Night 13 mu byl nabídnut zápas s Kurtem Pellegrinem. Diaz porazil Pellegrina prostřednictvím trojúhelníkového háku ve druhém kole. Když Diaz uzamkl škrcení, stihl se před Pellegrinem předvést publiku a vztyčit dvojité prostředníčky. V hlavním zápase UFC Fight Night 15 porazil Diaz veterána Joshe Neera děleným rozhodnutím.
2009
Diaz poté na UFC 94 bojoval s bývalým šampionem lehké váhy organizace Strikeforce Clayem Guidou: Pierre vs. Penn 2, kde prohrál děleným rozhodnutím. Guida použil svůj zápasnický styl a Diaze několikrát skolil. Guida zvítězil děleným rozhodnutím, což znamenalo Diazovu první prohru v UFC, která byla zároveň jeho debutem v placeném zápase.
Diaz se ve finále The Ultimate Fighter 9 utkal s dalším vítězem Ultimate Fighter a bývalým šampionem King of the Cage ve welterové váze Joe Stevensonem. Stevenson Diaze v průběhu tří kol libovolně sundával a Diaz prohrál jednomyslným rozhodnutím.
Po dvou po sobě jdoucích prohrách rozhodnutím byl Diaz zařazen do hlavní soutěže UFC Fight Night 19 proti Melvinu Guillardovi. Diaz zvítězil podáním na gilotinové škrcení v čase 2:30 2. kola.
2010
Diaz se 11. ledna 2010 utkal v hlavním zápase na UFC Fight Night 20 s Grayem Maynardem, což byla odveta z doby, kdy se oba střetli v semifinále turnaje TUF 5 v lehké váze, které Diaz vyhrál. Diaz prohrál s Maynardem kontroverzním děleným rozhodnutím, protože bývalý vítěz TUF podle zpráv FightMetric zvítězil ve druhém a třetím kole.
Po třech prohrách ve čtyřech zápasech Nate zvažoval trvalý přestup do váhy 170 liber. váhové kategorie, přičemž prohlásil: „Nevydělávám dost peněz na to, abych musel snižovat váhu o tolik, takže bych rád bojoval na 170 a jen občas přešel na 155.“
Diaz debutoval ve velterové váze 27. března 2010 na UFC 111 proti produktu Miletich Fighting Systems a specialistovi na údery Rorymu Markhamovi. Při vážení se Markham vážil na 177, zatímco Diaz se vážil na limit velterové váhy 171; zápas byl změněn na zápas v catchweight. Diaz v zápase zvítězil TKO v prvním kole.
Po vítězství nad Markhamem Diaz prohlásil, že bude zápasit v obou váhových kategoriích. Jeho další zápas se odehrál opět ve welterové váze proti bývalému profesionálnímu boxerovi Marcusi Davisovi 28. srpna 2010 na UFC 118. Diaz Davise ukončil poté, co ho v posledním kole uškrtil do bezvědomí pomocí gilotinového škrcení; zápas si vysloužil ocenění Zápas noci.
2011
Diaz se příště utkal s jihokorejským bojovníkem Dong Hyun Kimem, a to 1. ledna 2011 na UFC 125. Diaz zápas prohrál jednomyslným rozhodnutím.
Diaz se 30. dubna 2011 na UFC 129 utkal s Rorym MacDonaldem. Diaz se nedokázal výrazněji prosadit a prohrál jednomyslným rozhodnutím. Po této prohře Diaz prohlásil, že se vrátí zpět do lehké váhy.
Diaz porazil 24. září 2011 na UFC 135 bývalého šampiona PRIDE v lehké váze Takanoriho Gomiho pomocí páky v prvním kole. Za svůj výkon si vysloužil ocenění Submission of the Night.
Diaz porazil Donalda Cerroneho na UFC 141 jednomyslným rozhodnutím (30-27, 30-27 a 29-28) ve výkonu, který oběma účastníkům vynesl ocenění Fight of the Night. Přestože ho Cerrone několikrát srazil z nohou rozmáchlými kopy nohou, předvedl Diaz jeden z nejlepších výkonů své kariéry. Diaz vytvořil rekord CompuStrike, když na cestě k vítězství nad Cerronem zasadil 82 % úderů.
2012
Diaz po několika letech tréninku konečně získal černý pás v brazilském jiu-jitsu od Cesara Gracieho. Černý pás mu byl udělen měsíc před jeho zápasem s kolegou z brazilského jiu-jitsu Jimem Millerem.
Diaz se příště utkal s Jimem Millerem 5. května 2012 v rámci UFC on Fox 3. Diaz Millera po většinu prvních dvou kol přehrával a na konci prvního kola Millera dokonce shodil levým direktem. Ke konci druhého kola se Miller pokusil o takedown, který Diaz vyrazil a kontroval gilotinovým škrcením, čímž si v čase 4:09 druhého kola vynutil poklepání. Za tento úder získal Diaz své páté bonusové ocenění Submission of the Night. Bylo to také poprvé, co byl Miller ve své kariéře v MMA zastaven.
Diaz se 8. prosince 2012 na UFC on Fox 5 utkal s Bensonem Hendersonem v hlavním zápase o titul mistra UFC v lehké váze. Diaz jednostranný zápas prohrál jednomyslným rozhodnutím. Tři týdny před mistrovským zápasem podepsal Diaz s UFC smlouvu na osm zápasů.
2013
Diaz se 20. dubna 2013 na UFC on Fox 7 utkal s bývalým šampionem Strikeforce v lehké váze Joshem Thomsonem. Zápas prohrál prostřednictvím TKO kvůli kopu do hlavy a úderům, během nichž Nateův bratr Nick Diaz fyzicky hodil do oktagonu ručník ve snaze naznačit rozhodčímu, aby zápas ukončil. Dne 16. května 2013 byl Diaz suspendován organizací UFC za porušení kodexu chování UFC, když na své stránce na Twitteru použil homofobní urážku. UFC vyjádřila své zklamání a suspendovala ho; nakonec byl suspendován na 90 dní a pokutován částkou 20 000 dolarů.
30. listopadu 2013 se v rámci hlavního zápasu finále The Ultimate Fighter 18 Finale uskutečnil gumový zápas s Grayem Maynardem. Diaz zvítězil prostřednictvím TKO v prvním kole. Zastavení mu vyneslo první bonus za Knockout of the Night.
2014
5. května 2014 byli Nate Diaz i jeho kolega TJ Grant vyřazeni z žebříčku UFC v lehké váze poté, co je UFC označila za neaktivní.
Po více než roční pauze se Diaz vrátil z pauzy, kterou si sám uložil, a 13. prosince 2014 se na UFC on Fox 13 utkal s Rafaelem Dos Anjosem. Diaz nedosáhl na váhu a přišel na 160,6 kg. Dostal dodatečný čas, aby splnil limit pro lehkou váhu, a snížil váhu na 155,2 kg. I tak však dostal pokutu 20 % z peněženky, která připadla Rafaelu dos Anjosovi. Diaz, který po většinu zápasu působil nemotivovaně a otráveně, prohrál jednostranný zápas jednomyslným rozhodnutím (30-26, 30-26 a 30-27).
2015
Diaz byl krátce spojován se zápasem ve velterové váze s Mattem Brownem, který se měl uskutečnit 11. července 2015 na akci UFC 189. V polovině dubna však Brown oznámil, že z této dvojice sešlo.
Po více než roční pauze se Diaz opět vrátil, aby se 19. prosince 2015 na UFC on Fox 17 utkal s Michaelem Johnsonem. Zápas vyhrál jednomyslným rozhodnutím poté, co nad Johnsonem předvedl absolutní boxerskou kliniku, a poté poskytl jeden z nejslavnějších pozápasových rozhovorů v historii UFC, v němž v přímém televizním přenosu vyzval Conora McGregora slovy: „Bereš mi všechno, na čem jsem pracoval, zmrde, a já se s tebou budu prát“. Oba účastníci byli oceněni titulem Zápas noci.
2016
Diaz byl stanoven jako náhradník, který se 5. března 2016 na UFC 196 utká s Conorem McGregorem a nahradí zraněného Rafaela dos Anjose. Vzhledem k tomu, že Diaz měl oznámení pouze jedenáct dní předem, zápas se kvůli nedostatku času na snížení váhy uskutečnil ve welterové váze (170 liber). Diaz vyhrál zápas podáním ve druhém kole. Diaz tak získal své deváté vítězství v UFC, což je po Royce Gracieovi druhé největší vítězství v historii. Oba bojovníci byli oceněni titulem Zápas večera a Diaz získal také bonus za Výkon večera.
Odveta s McGregorem byla naplánována na 9. července 2016 na UFC 200. Zápas byl vyhlášen za nejlepší zápas večera. Dne 19. dubna však UFC oznámila, že McGregor byl z akce stažen poté, co v Las Vegas nesplnil mediální povinnosti související se zápasem. Zápas s McGregorem byl následně přeložen a uskutečnil se následující měsíc, opět ve welterové váze, na UFC 202. Diaz odvetu prohrál většinovým rozhodnutím. Zápas byl opět oceněn titulem Zápas noci.
Na tiskové konferenci po zápase na UFC 202 Diaz porušil pravidlo USADA, když během čtyř hodin po zápase kouřil CBD, kanabidiol, vape pero. Nebyl sankcionován, protože CBD není považováno za PED. Nedlouho poté USADA změnila svá pravidla a CBD ze seznamu zakázaných látek vyřadila.
2018
Po dvouleté pauze bylo 3. srpna 2018 oznámeno, že Diaz by se měl vrátit 3. listopadu proti Dustinu Poirierovi v zápase lehké váhy. Tento zápas měl sloužit jako co-headliner UFC 230. Dne 9. října 2018 však bylo oznámeno, že Poirier odstoupil kvůli zranění, v důsledku čehož byl zápas zrušen.
2019
Nate Diaz se vrátil do soutěžního zápasu 17. srpna na UFC 241.
2019
Nate Diaz se vrátil do soutěže 17. srpna. V zápase polotěžké váhy, který sloužil jako hlavní zápas, se utkal s Anthonym Pettisem. Dominantním výkonem zápas vyhrál jednomyslným rozhodnutím.
Diaz se 2. listopadu 2019 utkal v hlavním zápase UFC 244 s Jorgem Masvidalem. V unikátní situaci prezident UFC Dana White potvrdil, že hlavní zápas byl o slavnostní pás „baddest motherfucker“ („BMF“). Masvidal vyhrál zápas technickým knockoutem prostřednictvím lékařského zastavení mezi třetím a čtvrtým kolem, když lékař u klece zjistil, že řezná rána nad Diazovým pravým okem mu znemožňuje pokračovat v zápase.