Wczesna kariera
Przed UFC, Diaz rywalizował głównie dla World Extreme Cagefighting (WEC). W 2006 roku, na WEC 24, walczył o mistrzostwo WEC w wadze lekkiej z ówczesnym mistrzem Hermesem Francą, przegrywając przez poddanie w drugiej rundzie. Było to ostatnie wydarzenie zorganizowane przez WEC, zanim zostało przejęte przez Zuffa, LLC, ówczesną firmę macierzystą UFC.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz był uczestnikiem The Ultimate Fighter 5, w którym występowała wyłącznie waga lekka, walcząc w drużynie Jensa Pulvera. W rundzie wstępnej, Diaz pokonał Roba Emersona przez poddanie; w ćwierćfinale pokonał kolegę z drużyny Team Pulver, Coreya Hilla, przez poddanie duszeniem trójkątnym w pierwszej rundzie. W półfinale Diaz pokonał członka Team Penn Graya Maynarda przez poddanie, awansując do finału, w którym zmierzył się z kolegą z Teamu Manvelem Gamburyanem. Diaz wygrał przez poddanie po tym jak Gamburyan został zmuszony do odklepania w drugiej rundzie z powodu zwichnięcia prawego barku w wyniku próby obalenia. Dzięki zwycięstwu, Diaz wygrał The Ultimate Fighter 5.
2008
Po pokonaniu Alvina Robinsona i Juniora Assunção przez poddanie, Diaz zażądał trudniejszych przeciwników. Dostał pojedynek z Kurtem Pellegrino na UFC Fight Night 13. Diaz pokonał Pellegrino przez trójkątne poddanie w drugiej rundzie. Po zablokowaniu duszenia, Diaz miał czas na wygięcie się dla publiczności i wyciągnięcie podwójnych środkowych palców zanim Pellegrino się poddał. Diaz pokonał weterana Josha Neera przez split decision w głównym wydarzeniu UFC Fight Night 15.
2009
Diaz następnie walczył z byłym mistrzem Strikeforce w wadze lekkiej Clayem Guidą na UFC 94: St. Pierre vs. Penn 2, przegrywając przez podzieloną decyzję. Guida używał swoich zapasów, aby wielokrotnie obalić Diaza. Guida wygrał przez podzieloną decyzję, oznaczając pierwszą porażkę Diaza w UFC, co było również jego debiutem w pay per view.
Diaz spotkał się z innym zwycięzcą Ultimate Fightera i byłym mistrzem King of the Cage Welterweight Joe Stevensonem na The Ultimate Fighter 9 Finale. Stevenson załatwił Diaza przez 3 rundy i Diaz przegrał przez jednogłośną decyzję.
Po dwóch kolejnych porażkach przez decyzję, Diaz miał wystąpić na UFC Fight Night 19 naprzeciwko Melvina Guillarda. Diaz wygrał przez poddanie w duszeniu gilotynowym w 2:30 rundy 2.
2010
Diaz zmierzył się z Grayem Maynardem 11 stycznia 2010 roku, w głównym wydarzeniu na UFC Fight Night 20, rewanż z czasów, gdy obaj spotkali się w półfinałach turnieju wagi lekkiej TUF 5, który Diaz wygrał. Diaz stracił kontrowersyjny split decision do Maynard, jak były zwycięzca TUF otrzymał nod w raportach FightMetric, wygrywając rundy dwa i trzy.
Po trzech porażkach w czterech walkach, Nate rozważał dokonanie stałego ruchu w górę w wadze do 170 lb. stwierdzając: „Nie zarabiam wystarczająco dużo pieniędzy, aby zrzucić tyle wagi, więc chciałbym walczyć w 170 i tylko raz na jakiś czas zejść do 155.”
Diaz zadebiutował w wadze półciężkiej 27 marca 2010 roku na UFC 111 przeciwko produktowi Miletich Fighting Systems i specjaliście od uderzeń Rory’emu Markhamowi. Na ważeniu Markham ważył się z wagą 177, podczas gdy Diaz ważył się w limicie wagi welterweight 171; walka została zmieniona na walkę catchweight. Diaz poszedł na wygrać walkę przez TKO w pierwszej rundzie.
Po zwycięstwie nad Markhamem, Diaz stwierdził, że będzie rywalizował w obu kategoriach wagowych. Jego następna walka była ponownie w wadze Welterweight przeciwko byłemu zawodowemu bokserowi Marcusowi Davisowi 28 sierpnia 2010 roku na UFC 118. Diaz wykończył Davisa po zaduszeniu go do nieprzytomności przez poddanie duszeniem gilotynowym w ostatniej rundzie; walka zdobyła wyróżnienie Fight of the Night.
2011
Diaz następny raz zmierzył się z południowokoreańskim zawodnikiem Dong Hyun Kimem, 1 stycznia 2011 roku, na UFC 125. Diaz przegrał walkę przez jednogłośną decyzję.
Diaz walczył z Rory MacDonaldem 30 kwietnia 2011 roku, na UFC 129. Diaz nie był w stanie zamontować dużo znaczącej ofensywy i przegrał przez jednogłośną decyzję. Po przegranej, Diaz stwierdził, że będzie poruszać się z powrotem w dół do dywizji lekkiej.
Diaz pokonał byłego mistrza wagi lekkiej PRIDE Takanori Gomi 24 września 2011 roku, na UFC 135 przez Armbar submission w pierwszej rundzie. Za swój występ zdobył wyróżnienie Submission of the Night.
Diaz pokonał Donalda Cerrone na UFC 141 przez jednogłośną decyzję (30-27, 30-27, i 29-28) w występie, który przyniósł obu uczestnikom wyróżnienie Fight of the Night. Pomimo wielokrotnego obalania z nóg przez zamaszyste kopnięcia na nogi Cerrone, Diaz miał jeden z najlepszych występów w swojej karierze. Diaz ustanowił rekord CompuStrike, lądując 82% uderzeń, które rzucił w drodze do zwycięstwa nad Cerrone.
2012
Diaz, po kilku latach treningów, w końcu otrzymał swój czarny pas brazylijskiego jiu-jitsu od Cesara Gracie. Otrzymał czarny pas na miesiąc przed walką z kolegą z brazylijskiego jiu-jitsu Jimem Millerem.
Diaz zmierzył się z Jimem Millerem 5 maja 2012 roku na UFC on Fox 3. Diaz zdeklasował Millera przez większość pierwszych dwóch rund, nawet upuszczając Millera lewym prostym pod koniec pierwszej rundy. Pod koniec drugiej rundy Miller rozpoczął starania o obalenie, które Diaz zablokował i poddał go duszeniem gilotynowym, zmuszając do odklepania w 4:09 drugiej rundy. Poddanie to przyniosło Diazowi jego piątą nagrodę bonusową za poddanie wieczoru. Był to również pierwszy raz, kiedy Miller został zatrzymany w swojej karierze MMA.
Diaz zmierzył się z Bensonem Hendersonem 8 grudnia 2012 roku, na UFC on Fox 5 w głównym wydarzeniu o mistrzostwo wagi lekkiej UFC. Diaz przegrał jednostronną walkę przez jednogłośną decyzję. Trzy tygodnie przed walką mistrzowską, Diaz podpisał kontrakt na osiem walk z UFC.
2013
Diaz zmierzył się z byłym mistrzem wagi lekkiej Strikeforce Joshem Thomsonem 20 kwietnia 2013 roku, na UFC on Fox 7. Przegrał walkę przez TKO z powodu kopnięcia głową i ciosów, podczas których brat Nate’a, Nick Diaz fizycznie wrzucił ręcznik do oktagonu, próbując zasygnalizować sędziemu zakończenie walki. 16 maja 2013 roku, Diaz został zawieszony przez UFC za naruszenie kodeksu postępowania UFC poprzez użycie homofobicznej obelgi na swojej stronie na Twitterze. UFC wyraziło swoje rozczarowanie i zawiesiło go; ostatecznie został zawieszony na 90 dni i ukarany grzywną w wysokości 20 000 $.
Gumowy pojedynek z Grayem Maynardem odbył się 30 listopada 2013 roku w głównym wydarzeniu na The Ultimate Fighter 18 Finale. Diaz wygrał przez TKO w pierwszej rundzie. Zatrzymanie zarobiło mu swój pierwszy bonus Knockout of the Night.
2014
W dniu 5 maja 2014 roku zarówno Nate Diaz, jak i kolega z UFC TJ Grant zostali usunięci z rankingów wagi lekkiej UFC po tym, jak zostali uznani za nieaktywnych przez UFC.
Po ponad roku z dala od sportu, Diaz powrócił z samozwańczej przerwy i zmierzył się z Rafaelem Dos Anjosem 13 grudnia 2014 roku na UFC on Fox 13. Diaz nie trafił na wagę, wchodząc na wagę 160,6 funtów. Dostał dodatkowy czas na zrobienie limitu wagi lekkiej i ściął do 155,2. Jednak i tak został ukarany grzywną w wysokości 20 procent swojej sakiewki, która trafiła do Rafaela dos Anjosa. Diaz, który wydawał się niezmotywowany i poirytowany przez większość walki, przegrał jednostronną walkę przez jednogłośną decyzję (30-26, 30-26, i 30-27).
2015
Diaz był krótko związany z walką w wadze welterweight z Mattem Brownem 11 lipca 2015 roku na UFC 189. Jednak w połowie kwietnia Brown ogłosił, że parowanie zostało złomowane.
Po ponownym odsiadce przez ponad rok, Diaz powrócił, aby zmierzyć się z Michaelem Johnsonem 19 grudnia 2015 roku na UFC on Fox 17. Wygrał walkę przez jednogłośną decyzję po umieszczeniu absolutnej kliniki bokserskiej nad Johnsonem i udał się do udzielenia jednego z najbardziej niesławnych wywiadów po walce w historii UFC, gdzie wezwał Conora McGregora, mówiąc „bierzesz wszystko, na co pracuję, skurwysynu, a ja będę walczył z twoją pieprzoną dupą” w telewizji transmitowanej na żywo. Obaj uczestnicy otrzymali wyróżnienia Fight of the Night.
2016
Diaz został ustawiony jako zastępstwo, aby zmierzyć się z Conorem McGregorem 5 marca 2016 roku na UFC 196, wypełniając za kontuzjowanego Rafaela dos Anjosa. Z Diazem mającym tylko jedenaście dni powiadomienia, walka odbyła się w wadze welterweight (170 lbs) z powodu braku czasu na cięcie wagi. Diaz wygrał walkę przez poddanie w drugiej rundzie. Dało to Diazowi dziewiąte zwycięstwo przez poddanie w UFC, co daje mu drugie miejsce w historii za Roycem Gracie. Obaj fighterzy otrzymali wyróżnienia Fight of the Night, a Diaz został również nagrodzony premią Performance of the Night.
Powtórne starcie z McGregorem zostało zaplanowane na 9 lipca 2016 roku na UFC 200. Jednak 19 kwietnia UFC ogłosiło, że McGregor został wycofany z wydarzenia po tym, jak nie wypełnił zobowiązań medialnych w Las Vegas związanych z walką. Z kolei walka z McGregorem została przesunięta w czasie i odbyła się w następnym miesiącu, ponownie w wadze półśredniej, na UFC 202. Diaz przegrał rewanż przez większościową decyzję. Konkurs został ponownie nagrodzony wyróżnieniem Fight of the Night.
Na konferencji prasowej po walce na UFC 202, Diaz naruszył zasadę USADA poprzez palenie CBD, Cannabidiol, vape pen w ciągu czterech godzin po walce. Nie został ukarany, ponieważ CBD nie jest uważane za PED. USADA zmieniła swoje zasady i podniosła CBD z listy zakazanej niedługo potem.
2018
Po dwuletnim zwolnieniu, 3 sierpnia 2018 roku ogłoszono, że oczekuje się, że Diaz powróci 3 listopada przeciwko Dustinowi Poirierowi w walce w wadze lekkiej. Oczekiwano, że ta walka będzie służyć jako co-headliner UFC 230. Jednak 9 października 2018 roku ogłoszono, że Poirier wycofał się z powodu kontuzji i w rezultacie walka została odwołana.
2019
Nate Diaz powrócił do rywalizacji 17 sierpnia na UFC 241. Zmierzył się z Anthonym Pettisem w walce w wadze welterweight, która służyła jako co-main event. Dzięki dominującemu występowi, wygrał walkę przez jednogłośną decyzję.
Diaz zmierzył się z Jorge Masvidalem 2 listopada 2019 roku w głównym wydarzeniu UFC 244. W wyjątkowej sytuacji prezydent UFC Dana White potwierdził, że headliningowa walka była dla celebryckiego pasa „baddest motherfucker” („BMF”). Masvidal wygrał walkę przez techniczny nokaut przez doctor stoppage między rundami trzecią i czwartą, kiedy lekarz przy klatce stwierdził, że rozcięcie nad prawym okiem Diaza spowodowało, że nie był on w stanie kontynuować walki.