Carrera temprana
Antes de la UFC, Diaz compitió principalmente en la World Extreme Cagefighting (WEC). En 2006, en el WEC 24, luchó por el campeonato de peso ligero del WEC contra el entonces campeón Hermes Franca, perdiendo por sumisión en el segundo asalto. Este fue el último evento celebrado por la WEC antes de que fuera adquirida por Zuffa, LLC, entonces empresa matriz de la UFC.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz fue concursante en The Ultimate Fighter 5, que presentaba exclusivamente pesos ligeros, luchando en el equipo de Jens Pulver. En la ronda preliminar, Díaz derrotó a Rob Emerson por sumisión; en los cuartos de final derrotó a su compañero del equipo de Pulver, Corey Hill, por sumisión de triángulo en la primera ronda. En las semifinales, Díaz derrotó por sumisión a Gray Maynard, miembro del equipo Penn, y pasó a la final, en la que se enfrentó a su compañero Manvel Gamburyan. Díaz ganó por sumisión después de que Gamburyan se viera obligado a abandonar en el segundo asalto debido a la dislocación de su hombro derecho como resultado de un intento de derribo. Con la victoria, Díaz ganó The Ultimate Fighter 5.
2008
Después de derrotar a Alvin Robinson y Junior Assunção por sumisión, Díaz exigió rivales más duros. Se le dio un combate con Kurt Pellegrino en UFC Fight Night 13. Díaz derrotó a Pellegrino por sumisión de triángulo en el segundo asalto. Mientras bloqueaba el estrangulamiento, Díaz tuvo tiempo de flexionar para el público y lanzar dobles dedos centrales antes de que Pellegrino se sometiera. Diaz derrotó al veterano Josh Neer por decisión dividida en el evento principal de UFC Fight Night 15.
2009
Diaz luchó después contra el ex campeón de peso ligero de Strikeforce Clay Guida en UFC 94: St. Pierre vs. Penn 2, perdiendo por decisión dividida. Guida utilizó su lucha para derribar a Díaz varias veces. Guida ganó por decisión dividida, marcando la primera derrota de Díaz en la UFC, en lo que también fue su debut en el pago por visión.
Diaz se enfrentó a otro ganador de Ultimate Fighter y ex campeón de peso wélter de King of the Cage, Joe Stevenson, en la final de The Ultimate Fighter 9. Stevenson derribó a Díaz a su antojo a lo largo de los 3 asaltos y Díaz perdió por decisión unánime.
Después de dos derrotas consecutivas por decisión, Díaz fue programado para encabezar UFC Fight Night 19 frente a Melvin Guillard. Diaz ganó por sumisión a un estrangulamiento por guillotina a los 2:30 del segundo asalto.
2010
Diaz se enfrentó a Gray Maynard el 11 de enero de 2010, en el evento principal de UFC Fight Night 20, una revancha de cuando ambos se enfrentaron en las semifinales del torneo de peso ligero TUF 5, que ganó Diaz. Díaz perdió una controvertida decisión dividida ante Maynard, ya que el ex ganador de TUF recibió el visto bueno en los informes de FightMetric, ganando los asaltos dos y tres.
Después de tres derrotas en cuatro peleas, Nate consideró la posibilidad de hacer un movimiento permanente en el peso a las 170 lb. No gano suficiente dinero como para tener que bajar tanto de peso, así que me gustaría luchar en 170 y sólo ir a 155 de vez en cuando».
Diaz hizo su debut en el peso wélter el 27 de marzo de 2010, en el UFC 111 contra el producto de Miletich Fighting Systems y especialista en golpes Rory Markham. En el pesaje, Markham pesó 177, mientras que Díaz pesó el límite de peso wélter de 171; la pelea fue cambiada a un peso de captura. Díaz ganó la pelea por TKO en el primer asalto.
Después de la victoria sobre Markham, Díaz declaró que competiría en ambas categorías de peso. Su siguiente pelea fue de nuevo en el peso Welter contra el ex boxeador profesional Marcus Davis el 28 de agosto de 2010 en el UFC 118. Diaz acabó con Davis tras dejarlo inconsciente con una sumisión por estrangulamiento de guillotina en el último asalto; el combate le valió los honores de Pelea de la Noche.
2011
Diaz se enfrentó después al luchador surcoreano Dong Hyun Kim, el 1 de enero de 2011, en el UFC 125. Diaz perdió la pelea por decisión unánime.
Diaz luchó contra Rory MacDonald el 30 de abril de 2011, en el UFC 129. Diaz no pudo montar una ofensiva significativa y perdió por decisión unánime. Después de la derrota, Díaz declaró que volvería a bajar a la división de peso ligero.
Díaz derrotó al ex campeón de peso ligero de PRIDE, Takanori Gomi, el 24 de septiembre de 2011, en el UFC 135 a través de una sumisión armbar en la primera ronda. Se ganó los honores de Sumisión de la Noche por su actuación.
Diaz derrotó a Donald Cerrone en el UFC 141 por decisión unánime (30-27, 30-27 y 29-28) en una actuación que les valió a ambos participantes los honores de Pelea de la Noche. A pesar de ser derribado varias veces por las patadas de Cerrone, Díaz tuvo una de las mejores actuaciones de su carrera. Díaz estableció un récord de CompuStrike, al conseguir el 82% de los golpes que lanzó de camino a su victoria sobre Cerrone.
2012
Díaz, después de varios años de entrenamiento, finalmente recibió su cinturón negro de jiu-jitsu brasileño de César Gracie. Recibió su cinturón negro un mes antes de su pelea con el también cinturón negro de jiu-jitsu brasileño Jim Miller.
Diaz se enfrentó a Jim Miller el 5 de mayo de 2012, en UFC on Fox 3. Díaz superó a Miller durante la mayor parte de los dos primeros asaltos, e incluso dejó caer a Miller con una izquierda recta al final del primer asalto. Casi al final del segundo asalto, Miller intentó un derribo, que Díaz rechazó y contrarrestó con un estrangulamiento por guillotina, forzando el toque a los 4:09 del segundo asalto. La sumisión le valió a Díaz su quinto premio de bonificación por sumisión de la noche. También fue la primera vez que Miller había sido detenido en su carrera de MMA.
Diaz se enfrentó a Benson Henderson el 8 de diciembre de 2012, en UFC on Fox 5 en el evento principal por el Campeonato de Peso Ligero de la UFC. Díaz perdió el combate unilateral por decisión unánime. Tres semanas antes del combate por el campeonato, Díaz firmó un contrato de ocho peleas con UFC.
2013
Diaz se enfrentó al ex campeón de peso ligero de Strikeforce, Josh Thomson, el 20 de abril de 2013, en UFC on Fox 7. Perdió la pelea vía TKO debido a una patada en la cabeza y puñetazos, durante la cual el hermano de Nate, Nick Díaz lanzó físicamente una toalla en el octágono, en un intento de señalar al árbitro para terminar el combate. El 16 de mayo de 2013, Díaz fue suspendido por la UFC por violar el código de conducta de la UFC al utilizar un insulto homofóbico en su página de Twitter. La UFC expresó su decepción y lo suspendió; finalmente fue suspendido por 90 días y multado con 20.000 dólares.
Un combate de goma con Gray Maynard tuvo lugar el 30 de noviembre de 2013 en el evento principal de The Ultimate Fighter 18 Finale. Díaz ganó vía TKO en la primera ronda. El paro le valió su primer bono de Knockout of the Night.
2014
El 5 de mayo de 2014, tanto Nate Díaz como su compañero TJ Grant fueron eliminados de la clasificación de peso ligero de la UFC después de ser considerados inactivos por la UFC.
Después de más de un año fuera del deporte, Díaz regresó de su parón autoimpuesto y se enfrentó a Rafael Dos Anjos el 13 de diciembre de 2014 en UFC on Fox 13. Díaz no alcanzó el peso, llegando a 160,6 libras. Se le dio tiempo adicional para hacer el límite de peso ligero, y se redujo a 155,2. Sin embargo, fue multado con el 20 por ciento de su bolsa, que fue a parar a Rafael dos Anjos. Díaz, que parecía desmotivado y molesto durante la mayor parte de la pelea, perdió la pelea unilateral por decisión unánime (30-26, 30-26 y 30-27).
2015
Diaz estuvo brevemente vinculado a un combate de peso welter con Matt Brown el 11 de julio de 2015 en UFC 189. Sin embargo, a mediados de abril, Brown anunció que el emparejamiento había sido desechado.
Después de sentarse de nuevo por más de un año, Díaz regresó para enfrentar a Michael Johnson el 19 de diciembre de 2015 en UFC on Fox 17. Ganó la pelea por decisión unánime después de poner una clínica absoluta de boxeo sobre Johnson y pasó a dar una de las entrevistas más infames después de la pelea en la historia de la UFC, donde llamó a Conor McGregor diciendo «te estás llevando todo lo que trabajo, hijo de puta, y voy a pelear con tu puto culo» en la televisión transmitida en vivo. Ambos participantes fueron galardonados con los honores de la Pelea de la Noche.
2016
Diaz fue fijado como un reemplazo para enfrentar a Conor McGregor el 5 de marzo de 2016 en el UFC 196, reemplazando a un Rafael dos Anjos lesionado. Con Díaz sólo teniendo once días de aviso, la pelea tuvo lugar en el peso welter (170 libras) debido a la falta de tiempo para cortar el peso. Díaz ganó el combate por sumisión en el segundo asalto. Esto le dio a Díaz su novena victoria por sumisión en la UFC, empatado con el segundo más grande de todos los tiempos detrás de Royce Gracie. Ambos luchadores fueron galardonados con los honores de Pelea de la Noche y Díaz también fue premiado con el bono de Actuación de la Noche.
Una revancha con McGregor estaba programada para el 9 de julio de 2016 en el UFC 200. Sin embargo, el 19 de abril, la UFC anunció que McGregor había sido retirado del evento después de no cumplir con las obligaciones de los medios de comunicación en Las Vegas relacionadas con la pelea. A su vez, la pelea con McGregor fue reprogramada y tuvo lugar el mes siguiente, disputada de nuevo en el peso welter, en el UFC 202. Díaz perdió la revancha por decisión mayoritaria. El combate recibió de nuevo los honores de Pelea de la Noche.
En la conferencia de prensa posterior a la pelea del UFC 202, Díaz violó la regla de la USADA al fumar CBD, Cannabidiol, vape pen dentro de las cuatro horas posteriores a la pelea. No fue sancionado ya que el CBD no se considera un PED. La USADA cambió sus reglas y levantó el CBD de la lista de prohibiciones no mucho tiempo después.
2018
Después de un largo despido de dos años, se anunció el 3 de agosto de 2018 que se esperaba que Díaz regresara el 3 de noviembre contra Dustin Poirier en un combate de peso ligero. Se esperaba que este combate sirviera como co-cabeza de cartel de UFC 230. Sin embargo, el 9 de octubre de 2018, se anunció que Poirier se retiró debido a una lesión y, como resultado, el combate fue cancelado.
2019
Nate Diaz regresó a la competición el 17 de agosto en el UFC 241. Se enfrentó a Anthony Pettis en un combate de peso wélter que sirvió como co-evento principal. Con una actuación dominante, ganó la pelea por decisión unánime.
Diaz se enfrentó a Jorge Masvidal el 2 de noviembre de 2019 en el evento principal de UFC 244. En una situación única, el presidente de la UFC, Dana White, confirmó que el combate principal era para celebrar el cinturón de «baddest motherfucker» (‘BMF’). Masvidal ganó la pelea por nocaut técnico a través de una parada médica entre los asaltos tres y cuatro cuando el médico de la jaula determinó que un corte sobre el ojo derecho de Díaz le impedía continuar.