Varhaisura
Ennen UFC:tä Diaz kilpaili pääasiassa World Extreme Cagefightingissa (WEC). Vuonna 2006 WEC 24 -tapahtumassa hän otteli WEC:n kevyen sarjan mestaruudesta silloista mestaria Hermes Francaa vastaan häviten alistamalla toisella kierroksella. Tämä oli WEC:n viimeinen tapahtuma ennen kuin UFC:n silloinen emoyhtiö Zuffa, LLC osti sen.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz oli kilpailijana The Ultimate Fighter 5 -ohjelmassa, jossa ottelivat yksinomaan kevytsarjalaiset, ottelemassa Jens Pulverin joukkueessa. Alkulohkossa Diaz voitti Rob Emersonin alistamalla; puolivälierissä hän voitti Pulverin joukkuetoverin Corey Hillin kolmio-uristuksella alistamalla ensimmäisellä kierroksella. Välierissä Diaz voitti Team Pennin jäsenen Gray Maynardin alistamalla ja eteni finaaliin, jossa hän kohtasi joukkuetoverinsa Manvel Gamburyanin. Diaz voitti alistamalla, kun Gamburyan joutui luovuttamaan toisessa erässä oikean olkapäänsä sijoiltaanmenon vuoksi, joka oli seurausta takedown-yrityksestä. Voitollaan Diaz voitti The Ultimate Fighter 5:n.
2008
Voitettuaan Alvin Robinsonin ja Junior Assunçãon alistamalla, Diaz vaati kovempia vastustajia. Hän sai ottelun Kurt Pellegrinon kanssa UFC Fight Night 13:ssa. Diaz voitti Pellegrinon triangle-choke-listautumisella toisessa erässä. Kun hän lukitsi kuristimen, Diaz ehti joustaa yleisölle ja heittää kaksinkertaiset keskisormet ylös ennen kuin Pellegrino antautui. Diaz voitti veteraani Josh Neerin jaetulla päätöksellä UFC Fight Night 15:n päätapahtumassa.
2009
Diaz otteli sen jälkeen UFC 94:ssä entistä Strikeforcen kevyen sarjan mestaria Clay Guidaa vastaan: St. Pierre vs. Penn 2, häviten jaetulla päätöksellä. Guida käytti painiaan ja kaatoi Diazin useita kertoja. Guida voitti jaetulla päätöksellä, mikä merkitsi Diazin ensimmäistä tappiota UFC:ssä, joka oli samalla hänen pay per view -debyyttinsä.
Diaz kohtasi Ultimate Fighter -voittajan ja entisen King of the Cage -kevytsarjan mestarin Joe Stevensonin The Ultimate Fighter 9 -finaalissa. Stevenson kaatoi Diazin mielin määrin koko kolmen erän ajan ja Diaz hävisi yksimielisellä päätöksellä.
Kahden peräkkäisen päätöstappion jälkeen Diaz oli varattu UFC Fight Night 19:n pääotteluun Melvin Guillardia vastaan. Diaz voitti alistumalla giljotiinikuristuksella 2:30 toisella kierroksella.
2010
Diaz kohtasi 11. tammikuuta 2010 Gray Maynardin UFC Fight Night 20:n päätapahtumassa, joka oli uusintaottelu siitä, kun nämä kaksi kohtasivat TUF 5 -kevytsarjaturnauksen välierissä, jonka Diaz voitti. Diaz hävisi kiistanalaisen jaetun päätöksen Maynardille, sillä entinen TUF-voittaja sai FightMetricin raporttien mukaan voiton voittamalla erät kaksi ja kolme.
Kolmen tappion jälkeen neljässä ottelussa Nate harkitsi pysyvää painonsiirtoa 170 lb. painoluokassa, todeten: ”En tienaa tarpeeksi rahaa pudottaakseni painoa näin paljon, joten haluaisin otella 170:ssä ja mennä 155:een vain silloin tällöin.”
Diaz debytoi Welterweightissä 27.3.2010 UFC 111:ssä Miletich Fighting Systemsin tuotetta ja iskuspesialisti Rory Markhamia vastaan. Punnituksessa Markham punnitsi 177, kun taas Diaz punnitsi Welterweight-rajan 171; ottelu muutettiin catchweight-otteluksi. Diaz voitti ottelun TKO:lla ensimmäisessä erässä.
Voiton jälkeen Markhamista Diaz ilmoitti kilpailevansa molemmissa painoluokissa. Hänen seuraava ottelunsa oli jälleen Welterweightissä entistä ammattinyrkkeilijä Marcus Davisia vastaan 28. elokuuta 2010 UFC 118:ssa. Diaz lopetti Davisin kuristettuaan tämän tajuttomaksi giljotiinikuristuksella viimeisessä erässä; ottelu ansaitsi Fight of the Night -kunniamaininnan.
2011
Diaz kohtasi seuraavan kerran eteläkorealaisen ottelijan Dong Hyun Kimin 1. tammikuuta 2011 UFC 125 -ottelussa. Diaz hävisi ottelun yksimielisellä päätöksellä.
Diaz otteli Rory MacDonaldia vastaan 30. huhtikuuta 2011 UFC 129:ssä. Diaz ei pystynyt tekemään juurikaan merkittäviä hyökkäyksiä ja hävisi yksimielisellä päätöksellä. Tappion jälkeen Diaz ilmoitti siirtyvänsä takaisin kevytsarjaan.
Diaz voitti entisen PRIDE:n kevytsarjan mestarin Takanori Gomin 24. syyskuuta 2011 UFC 135:ssä armbarin avulla ensimmäisessä erässä. Hän ansaitsi suorituksestaan Submission of the Night -kunniamaininnan.
Diaz voitti Donald Cerronen UFC 141:ssä yksimielisellä päätöksellä (30-27, 30-27 ja 29-28) suorituksessa, joka toi molemmille osallistujille Fight of the Night -kunniamaininnan. Huolimatta siitä, että Cerronen pyyhkäisevät jalkapotkut pudottivat hänet useita kertoja jaloiltaan, Diaz teki yhden uransa parhaista esityksistä. Diaz teki CompuStrike-ennätyksen osumalla 82 % heittämistään iskuista matkalla voittoon Cerronesta.
2012
Diaz sai useiden vuosien harjoittelun jälkeen vihdoin brasilialaisen jiu-jitsun mustan vyönsä Cesar Gracielta. Hän sai mustan vyönsä kuukausi ennen otteluaan toisen brasilialaisen jiu-jitsun mustan vyön omaavan Jim Millerin kanssa.
Diaz kohtasi Jim Millerin seuraavan kerran 5. toukokuuta 2012 UFC on Fox 3 -tapahtumassa. Diaz päihitti Millerin suurimman osan kahdesta ensimmäisestä erästä ja jopa pudotti Millerin suoralla vasemmalla ensimmäisen erän lopussa. Lähellä toisen erän loppua Miller yritti takedownia, jonka Diaz torjui ja vastapainoksi hän käytti rullaavaa giljotiinikuristusta pakottaen hänet taputukseen toisen erän ajassa 4:09. Antautuminen toi Diazille viidennen Submission of the Night -bonuspalkintonsa. Se oli myös ensimmäinen kerta, kun Miller pysäytettiin hänen MMA-urallaan.
Diaz kohtasi Benson Hendersonin 8. joulukuuta 2012 UFC on Fox 5 -tapahtumassa UFC:n kevytsarjan mestaruuden pääottelussa. Diaz hävisi yksipuolisen ottelun yksimielisellä päätöksellä. Kolme viikkoa ennen mestaruusottelua Diaz allekirjoitti kahdeksan ottelun sopimuksen UFC:n kanssa.
2013
Diaz kohtasi entisen Strikeforcen kevyen sarjan mestarin Josh Thomsonin 20. huhtikuuta 2013 UFC on Fox 7 -tapahtumassa. Hän hävisi ottelun TKO:lla pääpotkun ja lyöntien seurauksena, jonka aikana Naten veli Nick Diaz heitti fyysisesti pyyhkeen oktagoniin yrittäen viestittää tuomarille ottelun lopettamista. Toukokuun 16. päivänä 2013 UFC hyllytti Diazin, koska hän oli rikkonut UFC:n käytännesääntöjä käyttämällä Twitter-sivuillaan homofobista herjaa. UFC ilmaisi pettymyksensä ja hyllytti hänet; hän sai lopulta 90 päivän hyllytyksen ja 20 000 dollarin sakon.
Kumiottelu Gray Maynardin kanssa käytiin 30. marraskuuta 2013 The Ultimate Fighter 18 Finale -tapahtuman pääottelussa. Diaz voitti TKO:lla ensimmäisessä erässä. Pysäytys toi hänelle ensimmäisen Knockout of the Night -bonuksensa.
2014
Toukokuun 5. päivänä 2014 sekä Nate Diaz että hänen UFC-taistelijakollegansa TJ Grant poistettiin UFC:n kevytsarjan rankingista UFC:n katsottua heidät passiivisiksi.
Yli vuoden tauon jälkeen Diaz palasi itselleen määräämältään tauolta ja kohtasi 13. joulukuuta 2014 Rafael Dos Anjosin 13. joulukuuta järjestetyssä UFC on Fox 13:ssa. Diaz myöhästyi painosta ja painoi 160,6 kiloa. Hän sai lisäaikaa saavuttaakseen kevytsarjarajan ja laski 155,2:een. Häntä sakotettiin kuitenkin edelleen 20 prosenttia hänen palkkiostaan, joka meni Rafael dos Anjosille. Diaz, joka vaikutti suurimman osan ottelusta epämotivoituneelta ja ärsyyntyneeltä, hävisi yksipuolisen ottelun yksimielisellä päätöksellä (30-26, 30-26 ja 30-27).
2015
Diaz yhdistettiin lyhyesti 11. heinäkuuta 2015 UFC 189:ssä järjestettävään MM-kilpailuun, jossa Diaz ottelisi MM-kilpailu Matt Brownin kanssa. Huhtikuun puolivälissä Brown kuitenkin ilmoitti, että parivaljakko oli romutettu.
Jälleen yli vuoden tauon jälkeen Diaz palasi kohtaamaan Michael Johnsonin 19. joulukuuta 2015 UFC on Fox 17 -tapahtumassa. Hän voitti ottelun yksimielisellä päätöksellä esiteltyään absoluuttisen nyrkkeilyklinikan Johnsonia vastaan ja antoi yhden UFC:n historian pahamaineisimmista ottelun jälkeisistä haastatteluista, jossa hän haukkui Conor McGregoria sanomalla ”otat kaiken, minkä eteen teen töitä, runkkari, ja taistelen vitun perseesi kanssa” suorassa tv-lähetyksessä. Molemmat osallistujat palkittiin Fight of the Night -kunniamaininnalla.
2016
Diaz asetettiin varamiehenä kohtaamaan Conor McGregor 5. maaliskuuta 2016 UFC 196:ssa loukkaantuneen Rafael dos Anjosin tilalle. Koska Diazilla oli vain yksitoista päivää varoitusaikaa, ottelu käytiin welterweightissä (170 lbs), koska aikaa painonpudotukseen ei ollut riittävästi. Diaz voitti ottelun alistamalla toisessa erässä. Tämä antoi Diazille yhdeksännen alistamisvoittonsa UFC:ssä, mikä on kaikkien aikojen toiseksi eniten Royce Gracien jälkeen. Molemmat ottelijat palkittiin Fight of the Night -kunniamaininnalla ja Diaz palkittiin myös Performance of the Night -bonuksella.
Uudelleenottelu McGregorin kanssa oli määrä järjestää 9. heinäkuuta 2016 UFC 200 -tapahtumassa. UFC ilmoitti kuitenkin 19. huhtikuuta, että McGregor oli vedetty pois tapahtumasta, koska hän ei ollut täyttänyt otteluun liittyviä mediavelvoitteita Las Vegasissa. McGregorin kanssa käytävä ottelu puolestaan järjestettiin uudelleen ja se käytiin seuraavassa kuussa, jälleen välisarjassa, UFC 202:ssa. Diaz hävisi uusintaottelun enemmistöpäätöksellä. Ottelu sai jälleen kerran Fight of the Night -kunniamaininnan.
UFC 202:n ottelun jälkeisessä lehdistötilaisuudessa Diaz rikkoi USADA:n sääntöä polttamalla CBD:tä, kannabidiolia, kapselikynällä neljän tunnin sisällä ottelun jälkeen. Häntä ei rangaistu, koska CBD:tä ei pidetä PED:nä. USADA muutti sääntöjään ja poisti CBD:n kiellettyjen listalta pian tämän jälkeen.
2018
Kahden vuoden mittaisen tauon jälkeen 3. elokuuta 2018 ilmoitettiin, että Diazin odotetaan palaavan 3. marraskuuta kevytsarjan otteluun Dustin Poirieria vastaan. Tämän ottelun odotettiin toimivan UFC 230:n toisena pääotteluna. Lokakuun 9. päivänä 2018 kuitenkin ilmoitettiin, että Poirier vetäytyi loukkaantumisen vuoksi ja sen seurauksena ottelu peruttiin.
2019
Nate Diaz palasi kilpailuun 17. elokuuta UFC 241:ssä. Hän kohtasi Anthony Pettisin welterweight-ottelussa, joka toimi toisena päätapahtumana. Dominoivalla esityksellä hän voitti ottelun yksimielisellä päätöksellä.
Diaz kohtasi Jorge Masvidalin 2. marraskuuta 2019 UFC 244:n päätapahtumassa. Ainutlaatuisessa tilanteessa UFC:n presidentti Dana White vahvisti, että pääottelussa oli kyse juhlallisesta ”baddest motherfucker” (”BMF”) -vyöstä. Masvidal voitti ottelun teknisellä tyrmäyksellä lääkärin keskeytyksellä kolmannen ja neljännen erän välissä, kun häkkilääkäri totesi, että Diazin oikean silmän yläpuolella oleva haava teki hänet kykenemättömäksi jatkamaan.