Korai karrier
A UFC előtt Diaz elsősorban a World Extreme Cagefighting (WEC) színeiben versenyzett. 2006-ban a WEC 24. versenyén a WEC könnyűsúlyú bajnoki címéért küzdött az akkori bajnok Hermes Franca ellen, de a második menetben beadással kikapott. Ez volt a WEC utolsó rendezvénye, mielőtt a Zuffa, LLC, a UFC akkori anyavállalata felvásárolta volna.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz versenyző volt a The Ultimate Fighter 5-ben, amely kizárólag könnyűsúlyúakat szerepeltetett, Jens Pulver csapatában küzdött. Az elődöntőben Diaz legyőzte Rob Emerson-t beadással, a negyeddöntőben pedig Pulver csapattársát, Corey Hillt győzte le háromszög fojtással beadással az első menetben. Az elődöntőben Diaz a Team Penn tagját, Gray Maynardot győzte le behódolással, így bejutott a döntőbe, ahol csapattársa, Manvel Gamburyan volt az ellenfele. Diaz behódolással nyert, miután Gamburyan a második menetben a jobb vállának kificamodása miatt kénytelen volt feladni a küzdelmet, ami egy lefogási kísérlet következtében következett be. A győzelemmel Diaz megnyerte a The Ultimate Fighter 5.
2008
Az Alvin Robinson és Junior Assunção legyőzése után beadással Diaz keményebb ellenfeleket követelt. A UFC Fight Night 13-on egy Kurt Pellegrino elleni mérkőzést kapott. Diaz a második menetben triangle-choke behódolással legyőzte Pellegrinót. A fojtás rögzítésekor Diaznak volt ideje a közönség előtt meghajolni és dupla középső ujjakat felemelni, mielőtt Pellegrino megadta magát. Diaz a UFC Fight Night 15 főmérkőzésén megosztott döntéssel legyőzte a veterán Josh Neert.
2009
Diaz ezután a UFC 94-en a korábbi Strikeforce könnyűsúlyú bajnok Clay Guida ellen küzdött: St. Pierre vs. Penn 2 ellen, ahol megosztott döntéssel veszített. Guida a birkózását használva többször is padlóra küldte Diazt. Guida megosztott döntéssel nyert, ami Diaz első vereségét jelentette a UFC-ben, ami egyben a pay per view debütálása is volt.
Diaz a The Ultimate Fighter 9 fináléján találkozott az Ultimate Fighter győztesével és a korábbi King of the Cage váltósúlyú bajnokkal, Joe Stevensonnal. Stevenson a 3 menet során végig a földre vitte Diazt, Diaz pedig egyhangú döntéssel kikapott.
A két egymást követő döntéssel elszenvedett vereség után Diaz a UFC Fight Night 19 főmérkőzésének címvédője lett Melvin Guillarddal szemben. Diaz a 2. menet 2:30-kor leadott guillotine fojtással nyert.
2010
Diaz 2010. január 11-én, a UFC Fight Night 20 főmérkőzésén Gray Maynarddal csapott össze, ami egy visszavágó volt abból az alkalomból, amikor a TUF 5 könnyűsúlyú verseny elődöntőjében találkoztak, amit Diaz nyert meg. Diaz ellentmondásos megosztott döntést vesztett Maynard ellen, mivel a FightMetric jelentések szerint a korábbi TUF győztes a második és a harmadik menetet is megnyerte.
A négy mérkőzésen elszenvedett három vereség után Nate fontolóra vette, hogy végleg feljebb lépjen a súlycsoportban a 170 fontba. súlycsoportba, kijelentve: “Nem keresek elég pénzt ahhoz, hogy ennyit kelljen csökkentenem a súlyomat, ezért szeretnék 170-ben harcolni, és csak néha-néha átmenni 155-be.”
Diaz 2010. március 27-én, a UFC 111-en debütált váltósúlyban a Miletich Fighting Systems terméke, és az ütőspecialista Rory Markham ellen. A mérlegelésen Markham 177, míg Diaz 171-es váltósúlyú limitet mért; az összecsapást fogósúlyúvá változtatták. Diaz az első menetben TKO-val megnyerte a mérkőzést.
A Markham elleni győzelem után Diaz kijelentette, hogy mindkét súlycsoportban versenyezni fog. Következő mérkőzése ismét váltósúlyban volt a korábbi profi ökölvívó Marcus Davis ellen 2010. augusztus 28-án a UFC 118-on. Diaz végzett Davisszel, miután az utolsó menetben egy guillotine fojtással eszméletlenre fojtotta őt; a mérkőzés az éjszaka harca címet érdemelte ki.
2011
Diaz legközelebb a dél-koreai harcossal, Dong Hyun Kimmel csapott össze, 2011. január 1-jén, a UFC 125-ön. Diaz egyhangú pontozással veszítette el a mérkőzést.
Diaz 2011. április 30-án, a UFC 129-en Rory MacDonald ellen küzdött. Diaz nem tudott sok jelentős támadást indítani, és egyhangú döntéssel kikapott. A vereséget követően Diaz kijelentette, hogy visszamegy a könnyűsúlyba.
Diaz 2011. szeptember 24-én, a UFC 135-ön a korábbi PRIDE könnyűsúlyú bajnok Takanori Gomit győzte le karfeszítéssel az első menetben. Teljesítményéért kiérdemelte az Éjszaka Submission of the Night kitüntetést.
Diaz a UFC 141-en egyhangú döntéssel (30-27, 30-27, 30-27 és 29-28) legyőzte Donald Cerrone-t egy olyan teljesítményt nyújtva, amely mindkét résztvevőnek az Éjszaka Fight of the Night kitüntetést hozta. Annak ellenére, hogy Cerrone elsöprő lábrúgásai többször is ledöntötték a lábáról, Diaz karrierje egyik legjobb teljesítményét nyújtotta. Diaz CompuStrike rekordot állított fel, az általa dobott ütések 82%-át érte el a Cerrone elleni győzelemhez vezető úton.
2012
Diaz több évnyi edzés után végre megkapta a brazil jiu-jitsu fekete övét Cesar Gracie-től. A fekete övet egy hónappal a szintén brazil jiu-jitsu fekete öves Jim Miller elleni mérkőzése előtt kapta meg.
Diaz legközelebb 2012. május 5-én, a UFC on Fox 3-on Jim Millerrel csapott össze. Diaz az első két menet nagy részében kiütötte Millert, sőt az első menet végén egy egyenes balegyenessel meg is ejtette Millert. A második menet vége felé Miller megpróbálkozott egy leütéssel, amit Diaz kitömött, majd egy guruló guillotine fojtással kontrázott, és a második menet 4:09-kor csapra kényszerítette. A behódolással Diaz elnyerte az ötödik Submission of the Night bónusz díját. Ez volt egyben az első alkalom, hogy Millert megállították MMA karrierje során.
Diaz 2012. december 8-án a UFC on Fox 5 főmérkőzésén a UFC könnyűsúlyú bajnoki címért folytatott küzdelemben Benson Henderson ellen lépett fel. Diaz egyhangú döntéssel elvesztette az egyoldalú mérkőzést. Három héttel a bajnoki mérkőzés előtt Diaz nyolc mérkőzésre szóló szerződést írt alá a UFC-vel.
2013
Diaz 2013. április 20-án, a UFC on Fox 7-en a korábbi Strikeforce könnyűsúlyú bajnok Josh Thomson ellen lépett ringbe. A mérkőzést TKO-val vesztette el egy fejrúgás és ütések miatt, amely során Nate testvére, Nick Diaz fizikailag bedobott egy törölközőt az oktagonba, hogy jelezze a bírónak a mérkőzés befejezését. 2013. május 16-án Diazt felfüggesztette a UFC, mert megsértette a UFC magatartási kódexét azzal, hogy homofób gyalázkodást használt a Twitter-oldalán. A UFC csalódottságának adott hangot és felfüggesztette őt; végül 90 napra felfüggesztették és 20.000 dolláros pénzbüntetést kapott.
A Gray Maynard elleni gumimérkőzésre 2013. november 30-án került sor a The Ultimate Fighter 18 Finale főmérkőzésén. Diaz az első menetben TKO-val nyert. A megállítással megszerezte első Knockout of the Night bónuszát.
2014
2014. május 5-én mind Nate Diazt, mind UFC harcostársát, TJ Grantet törölték a UFC könnyűsúlyú ranglistájáról, miután a UFC inaktívnak minősítette őket.
Több mint egy év kihagyás után Diaz visszatért a saját maga által elrendelt szünetről és 2014. december 13-án a UFC on Fox 13-on Rafael Dos Anjos ellen küzdött. Diaz kihagyta a súlyt, 160,6 fontot nyomott. További időt kapott, hogy elérje a könnyűsúlyú limitet, és 155,2-re csökkentette a súlyát. Azonban így is megbüntették a nyereménye 20 százalékára, amelyet Rafael dos Anjos kapott. Diaz, aki a mérkőzés nagy részében motiválatlannak és bosszúsnak tűnt, egyhangú döntéssel (30-26, 30-26, 30-26 és 30-27) elveszítette az egyoldalú mérkőzést.
2015
Diaz rövid ideig kapcsolatban volt egy váltósúlyú mérkőzéssel Matt Brown ellen 2015. július 11-én a UFC 189-en. Április közepén azonban Brown bejelentette, hogy a párosítást elvetették.
A több mint egy év kihagyás után Diaz ismét visszatért, hogy 2015. december 19-én a UFC on Fox 17-en Michael Johnson ellen küzdjön. A mérkőzést egyhangú pontozással nyerte meg, miután abszolút bokszklinikát mutatott be Johnson felett, majd a UFC történetének egyik leghírhedtebb meccs utáni interjúját adta, ahol élőben közvetített televíziós adásban beszólt Conor McGregornak azzal, hogy “elveszel mindent, amiért dolgozom, köcsög, és megküzdök a kibaszott seggeddel”. Mindkét résztvevő megkapta az éjszaka harca kitüntetést.
2016
Diaz 2016. március 5-én, a UFC 196-on Conor McGregor ellen lépett szorítóba a sérült Rafael dos Anjos helyett. Mivel Diaznak csak tizenegy napos előjegyzési ideje volt, a mérkőzésre váltósúlyban (170 font) került sor, mivel nem volt elég ideje a súlycsökkentésre. Diaz a második menetben beadással nyerte meg a küzdelmet. Ezzel Diaz kilencedik alávetéses győzelmét aratta a UFC-ben, ami minden idők második legtöbb győzelmét jelenti Royce Gracie mögött. Mindkét harcos megkapta az éjszaka harca kitüntetést, és Diaz az éjszaka teljesítménye bónuszt is megkapta.
A McGregor elleni visszavágót 2016. július 9-re tervezték a UFC 200-on. Április 19-én azonban a UFC bejelentette, hogy McGregort visszavonták az eseményről, miután nem teljesítette a mérkőzéssel kapcsolatos média kötelezettségeit Las Vegasban. A McGregorral való mérkőzést viszont átütemezték, és a következő hónapban került rá sor, ismét váltósúlyban, a UFC 202-en. Diaz a visszavágót többségi döntéssel elveszítette. A viadal ismét az éjszaka harca kitüntetést kapta.
A UFC 202 mérkőzés utáni sajtótájékoztatón Diaz megsértette az USADA szabályát azzal, hogy a harcot követő négy órán belül CBD, Cannabidiol, vape pen-t szívott. Nem kapott szankciót, mivel a CBD nem számít PED-nek. Az USADA nem sokkal később megváltoztatta a szabályait és levette a CBD-t a tiltólistáról.
2018
Két év kihagyás után 2018. augusztus 3-án jelentették be, hogy Diaz várhatóan november 3-án tér vissza Dustin Poirier ellen egy könnyűsúlyú mérkőzésen. Ez a mérkőzés várhatóan a UFC 230 társheadlinereként szolgált volna. Azonban 2018. október 9-én bejelentették, hogy Poirier sérülés miatt visszalépett, így a mérkőzést törölték.
2019
Nate Diaz augusztus 17-én a UFC 241-en tért vissza a versenyzéshez. Anthony Pettis ellen küzdött meg egy váltósúlyú mérkőzésen, amely a társ-főmérkőzésként szolgált. Domináns teljesítményt nyújtva egyhangú döntéssel megnyerte a mérkőzést.
Diaz 2019. november 2-án a UFC 244 főmérkőzésén Jorge Masvidal ellen lépett ringbe. Egyedülálló helyzetben Dana White, a UFC elnöke megerősítette, hogy a főmérkőzés a “baddest motherfucker” (‘BMF’) ünnepi övért zajlott. Masvidal technikai kiütéssel nyerte meg a küzdelmet orvosi megszakítással a harmadik és negyedik menet között, amikor a ketrec orvosa megállapította, hogy Diaz jobb szeme feletti vágás miatt képtelen volt folytatni a küzdelmet.