Echte carrière
Voor de UFC kwam Diaz voornamelijk uit voor World Extreme Cagefighting (WEC). In 2006, tijdens WEC 24, vocht hij voor het WEC Lightweight Championship tegen toenmalig kampioen Hermes Franca, die hij verloor door submission in de tweede ronde. Dit was het laatste evenement gehouden door WEC voordat het werd overgenomen door Zuffa, LLC, het toenmalige moederbedrijf van de UFC.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz was een deelnemer aan The Ultimate Fighter 5, die uitsluitend lichtgewichten telde, vechtend in het team van Jens Pulver. In de voorronde versloeg Diaz Rob Emerson door submissie; in de kwartfinale versloeg hij mede Team Pulver teamgenoot Corey Hill door triangle choke submissie in de eerste ronde. In de halve finales versloeg Diaz Team Penn teamgenoot Gray Maynard door submission, waardoor hij doorging naar de finale, waarin hij het opnam tegen teamgenoot Manvel Gamburyan. Diaz won door submission nadat Gamburyan in de tweede ronde moest afkloppen vanwege de ontwrichting van zijn rechterschouder als gevolg van een poging tot een takedown. Met de overwinning won Diaz The Ultimate Fighter 5.
2008
Nadat hij Alvin Robinson en Junior Assunção via submission had verslagen, eiste Diaz zwaardere tegenstanders. Hij kreeg een partij met Kurt Pellegrino op UFC Fight Night 13. Diaz versloeg Pellegrino via triangle-choke submission in de tweede ronde. Terwijl hij de choke op slot deed, had Diaz tijd om te buigen voor het publiek en dubbele middelvingers op te steken voordat Pellegrino zich onderwierp. Diaz versloeg veteraan Josh Neer via split decision in het hoofdevenement van UFC Fight Night 15.
2009
Diaz vocht vervolgens tegen voormalig Strikeforce Lightweight Champion Clay Guida op UFC 94: St. Pierre vs. Penn 2, te verliezen via split decision. Guida gebruikte zijn worstelen om Diaz meerdere malen neer te halen. Guida won via split decision, wat Diaz’s eerste verlies in de UFC betekende, in wat ook zijn pay per view debuut was.
Diaz ontmoette mede Ultimate Fighter winnaar en voormalig King of the Cage Welterweight Kampioen Joe Stevenson op The Ultimate Fighter 9 Finale. Stevenson haalde Diaz naar beneden gedurende de 3 ronden en Diaz verloor door unanieme beslissing.
Na twee opeenvolgende verliezen door beslissing, was Diaz gepland om UFC Fight Night 19 te leiden tegenover Melvin Guillard. Diaz won door onderwerping aan een guillotine choke op 2:30 van ronde 2.
2010
Diaz stond op 11 januari 2010 tegenover Gray Maynard in het hoofdevenement op UFC Fight Night 20, een rematch van toen de twee elkaar ontmoetten in de halve finales van het TUF 5 lichtgewicht toernooi, dat Diaz won. Diaz verloor een controversiële split decision van Maynard, omdat de voormalige TUF-winnaar in de FightMetric-rapporten de voorkeur kreeg en ronde twee en drie won.
Na drie verliezen in vier gevechten, overwoog Nate een permanente overstap in gewicht naar de 170 lb. gewichtsklasse, verklarend: “Ik verdien niet genoeg geld om zoveel gewicht te moeten laten vallen, dus ik wil graag op 170 vechten en slechts af en toe naar 155 gaan.”
Diaz maakte zijn weltergewichtdebuut op 27 maart 2010, op UFC 111 tegen Miletich Fighting Systems-product en opvallende specialist Rory Markham. Bij de weging woog Markham in op 177, terwijl Diaz inwoog op het Welterweight limiet van 171; het gevecht werd veranderd in een catchweight gevecht. Diaz ging het gevecht winnen door TKO in de eerste ronde.
Na de overwinning op Markham, verklaarde Diaz dat hij in beide gewichtsklassen zou uitkomen. Zijn volgende gevecht was weer op weltergewicht tegen voormalig professioneel bokser Marcus Davis op 28 augustus 2010 op UFC 118. Diaz maakte Davis af door hem bewusteloos te wurgen met een guillotine choke in de laatste ronde; het gevecht leverde hem de Fight of the Night eer op.
2011
Diaz stond vervolgens tegenover de Zuid-Koreaanse vechter Dong Hyun Kim, op 1 januari 2011, op UFC 125. Diaz verloor het gevecht via unanieme beslissing.
Diaz vocht op 30 april 2011, tijdens UFC 129, tegen Rory MacDonald. Diaz was niet in staat om veel significante aanval op te zetten en verloor via unanieme beslissing. Na het verlies verklaarde Diaz dat hij terug zou gaan naar de lichtgewicht divisie.
Diaz versloeg voormalig PRIDE Lichtgewicht Kampioen Takanori Gomi op 24 september 2011, op UFC 135, via armbar onderwerping in de eerste ronde. Hij verdiende Submission of the Night honors voor zijn prestatie.
Diaz versloeg Donald Cerrone op UFC 141 via unanieme beslissing (30-27, 30-27, en 29-28) in een prestatie die beide deelnemers Fight of the Night honors opleverde. Ondanks het feit dat hij meerdere keren van zijn voeten werd geslagen door vegende beenkicks van Cerrone, had Diaz een van de beste optredens uit zijn carrière. Diaz vestigde een CompuStrike-record, door 82% van de strikes die hij gooide te landen op weg naar zijn overwinning op Cerrone.
2012
Diaz, na een aantal jaren van training, ontving eindelijk zijn Braziliaanse jiu-jitsu zwarte band van Cesar Gracie. Hij kreeg zijn zwarte band een maand voor zijn gevecht met collega Braziliaanse jiu-jitsu zwarte band Jim Miller.
Diaz volgende geconfronteerd Jim Miller op 5 mei 2012, op UFC on Fox 3. Diaz outboxed Miller voor het grootste deel van de eerste twee rondes, zelfs Miller laten vallen met een rechte links aan het einde van de eerste ronde. Aan het eind van de tweede ronde ging Miller voor een takedown, die Diaz stopte en counterde met een rollende guillotine choke, waardoor hij op 4:09 van de tweede ronde moest afkloppen. De submissie leverde Diaz zijn vijfde Submission of the Night bonus op. Het was ook de eerste keer dat Miller werd gestopt in zijn MMA-carrière.
Diaz stond op 8 december 2012 tegenover Benson Henderson tijdens UFC on Fox 5 in het main event voor het UFC Lightweight Championship. Diaz verloor het eenzijdige gevecht via unanieme beslissing. Drie weken voorafgaand aan het kampioensgevecht tekende Diaz een contract van acht gevechten met de UFC.
2013
Diaz stond op 20 april 2013 tegenover voormalig Strikeforce Lightweight Champion Josh Thomson, tijdens UFC on Fox 7. Hij verloor het gevecht via TKO als gevolg van een kopschop en stoten, waarbij Nate’s broer, Nick Diaz fysiek een handdoek in de octagon gooide, in een poging om de scheidsrechter te seinen om het gevecht te beëindigen. Op 16 mei 2013 werd Diaz door de UFC geschorst omdat hij de gedragscode van de UFC had geschonden door een homofobe uitlating te gebruiken op zijn Twitter pagina. De UFC uitte hun teleurstelling en schorste hem; hij werd uiteindelijk voor 90 dagen geschorst en kreeg een boete van $ 20.000.
Een rubbergevecht met Gray Maynard vond plaats op 30 november 2013 in het main event op The Ultimate Fighter 18 Finale. Diaz won via TKO in de eerste ronde. De stopage leverde hem zijn eerste Knockout of the Night-bonus op.
2014
Op 5 mei 2014 werden zowel Nate Diaz als mede-UFC-vechter TJ Grant verwijderd van de lichtgewichtranglijst van de UFC nadat ze door de UFC als inactief werden beschouwd.
Na meer dan een jaar weg te zijn geweest uit de sport, keerde Diaz terug van zijn zelfopgelegde hiatus en stond hij op 13 december 2014 tegenover Rafael Dos Anjos tijdens UFC on Fox 13. Diaz miste gewicht en kwam op 160,6 pond. Hij kreeg extra tijd om de lichtgewichtlimiet te halen, en sneed af tot 155,2. Hij kreeg echter toch een boete van 20 procent van zijn bokaal, die naar Rafael dos Anjos ging. Diaz, die het grootste deel van het gevecht ongemotiveerd en geïrriteerd leek, verloor het eenzijdige gevecht via unanieme beslissing (30-26, 30-26, en 30-27).
2015
Diaz werd kort gelinkt aan een weltergewichtgevecht met Matt Brown op 11 juli 2015 op UFC 189. Half april kondigde Brown echter aan dat de koppeling was geschrapt.
Na opnieuw meer dan een jaar te hebben gezeten, keerde Diaz terug om Michael Johnson op 19 december 2015 onder ogen te komen tijdens UFC on Fox 17. Hij won het gevecht via unanieme beslissing na het voortzetten van een absolute boksclinic over Johnson en ging verder met het geven van een van de meest beruchte post-fight interviews in de geschiedenis van de UFC, waar hij Conor McGregor uitschold door te zeggen “je neemt alles waar ik voor werk, klootzak, en ik zal je fucking ass bevechten” op live uitgezonden televisie. Beide deelnemers werden bekroond met Fight of the Night honors.
2016
Diaz was ingesteld als vervanger om Conor McGregor te confronteren op 5 maart 2016 op UFC 196, in te vallen voor een geblesseerde Rafael dos Anjos. Met Diaz die slechts elf dagen kennisgeving had, vond het gevecht plaats op weltergewicht (170 pond) vanwege gebrek aan tijd om gewicht te snijden. Diaz won het gevecht via submission in de tweede ronde. Dit gaf Diaz zijn negende submission overwinning in de UFC, de op een na hoogste ooit, na Royce Gracie. Beide vechters kregen Fight of the Night honors en Diaz werd ook beloond met de Performance of the Night bonus.
Een rematch met McGregor was gepland voor 9 juli 2016 op UFC 200. Echter, op 19 april kondigde de UFC aan dat McGregor was teruggetrokken van het evenement na het niet nakomen van mediaverplichtingen in Las Vegas met betrekking tot het gevecht. Op zijn beurt werd het gevecht met McGregor opnieuw gepland en vond het de volgende maand plaats, opnieuw betwist op weltergewicht, op UFC 202. Diaz verloor de rematch via meerderheidsbesluit. De wedstrijd werd opnieuw bekroond met Fight of the Night honors.
Tijdens de UFC 202 persconferentie na het gevecht, overtrad Diaz de USADA-regel door het roken van CBD, Cannabidiol, vape pen binnen vier uur na een gevecht. Hij werd niet bestraft omdat CBD niet wordt beschouwd als een PED. USADA veranderde hun regels en hief CBD niet lang daarna van de verboden lijst.
2018
Na een twee jaar lange onderbreking werd op 3 augustus 2018 aangekondigd dat Diaz naar verwachting op 3 november zou terugkeren tegen Dustin Poirier in een lichtgewichtgevecht. Dit gevecht zou naar verwachting dienen als de co-headliner van UFC 230. Op 9 oktober 2018 werd echter aangekondigd dat Poirier zich terugtrok vanwege een blessure en als gevolg daarvan werd de bout geannuleerd.
2019
Nate Diaz keerde op 17 augustus terug naar de competitie tijdens UFC 241. Hij stond tegenover Anthony Pettis in een weltergewicht gevecht dat diende als de co-main event. Met een dominant optreden won hij het gevecht via unanieme beslissing.
Diaz stond op 2 november 2019 tegenover Jorge Masvidal in het main event van UFC 244. In een unieke situatie bevestigde UFC-president Dana White dat de headliner bout was voor een feestelijke “baddest motherfucker” (‘BMF’) riem. Masvidal won het gevecht via technisch knock-out via dokterstop tussen ronde drie en vier toen de cage-side arts vaststelde dat een snee boven Diaz’s rechteroog hem niet in staat stelde om door te gaan.