Första karriären
För UFC tävlade Diaz främst i World Extreme Cagefighting (WEC). År 2006, på WEC 24, kämpade han om WEC:s lättviktsmästerskap mot den dåvarande mästaren Hermes Franca och förlorade genom submission i den andra ronden. Detta var det sista evenemanget som hölls av WEC innan det förvärvades av Zuffa, LLC, dåvarande moderbolag till UFC.
Ultimate Fighting Championship
The Ultimate Fighter 5
Diaz var deltagare i The Ultimate Fighter 5, som uteslutande innehöll lättviktare, och kämpade i Jens Pulvers lag. I den inledande omgången besegrade Diaz Rob Emerson genom submission; i kvartsfinalen besegrade han sin lagkamrat i Team Pulver Corey Hill via triangel choke submission i den första ronden. I semifinalen besegrade Diaz Team Penn-medlemmen Gray Maynard genom submission och gick vidare till finalen, där han mötte lagkamraten Manvel Gamburyan. Diaz vann genom submission efter att Gamburyan tvingades tappa ut i den andra ronden på grund av att han fick sin högra axel ur led när han försökte göra en nedtagning. Med segern vann Diaz The Ultimate Fighter 5.
2008
Efter att ha besegrat Alvin Robinson och Junior Assunção via submission krävde Diaz tuffare motståndare. Han fick en match mot Kurt Pellegrino på UFC Fight Night 13. Diaz besegrade Pellegrino via triangle-choke submission i andra ronden. När han låste strypningen hann Diaz flexa för publiken och kasta upp dubbla långfingrar innan Pellegrino gav upp. Diaz besegrade veteranen Josh Neer genom delat domslut i huvudmatchen på UFC Fight Night 15.
2009
Diaz mötte sedan den tidigare Strikeforce-mästaren i lättvikt Clay Guida på UFC 94: Pierre vs. Penn 2 och förlorade via delat beslut. Guida använde sin brottning för att ta ner Diaz flera gånger. Guida vann via delat domslut, vilket innebar Diaz första förlust i UFC, i vad som också var hans pay per view-debut.
Diaz mötte en annan Ultimate Fighter-vinnare och tidigare King of the Cage welterviktsmästare Joe Stevenson vid The Ultimate Fighter 9 Finale. Stevenson tog ner Diaz efter behag under de tre ronderna och Diaz förlorade genom enhälligt beslut.
Efter två raka förluster genom beslut var Diaz bokad som huvudperson för UFC Fight Night 19 mot Melvin Guillard. Diaz vann genom underkastelse till en giljotin choke vid 2:30 av andra ronden.
2010
Diaz mötte Gray Maynard den 11 januari 2010 i huvudevenemanget på UFC Fight Night 20. Det var en returmatch från när de två möttes i semifinalen i TUF 5-turneringen i lättvikt, som Diaz vann. Diaz förlorade ett kontroversiellt delat domslut mot Maynard, då den tidigare TUF-vinnaren fick nobben i FightMetric-rapporterna, då han vann ronderna två och tre.
Efter tre förluster på fyra matcher övervägde Nate att göra en permanent förflyttning upp i vikt till 170 lb. viktklassen och förklarade: ”Jag tjänar inte tillräckligt med pengar för att behöva gå ner så här mycket i vikt, så jag skulle vilja slåss på 170 och bara gå ner till 155 då och då.”
Diaz gjorde sin welterviktsdebut den 27 mars 2010 på UFC 111 mot Miletich Fighting Systems produkt och strikingspecialisten Rory Markham. Vid invägningen vägde Markham in på 177, medan Diaz vägde in på welterviktsgränsen 171. Matchen ändrades till en catchweight fight. Diaz fortsatte att vinna matchen genom TKO i den första ronden.
Efter vinsten mot Markham förklarade Diaz att han skulle tävla i båda viktklasserna. Hans nästa match var återigen i weltervikt mot den före detta proffsboxaren Marcus Davis den 28 augusti 2010 på UFC 118. Diaz avslutade Davis efter att ha kvävt honom medvetslös med en guillotine choke-underkastelse i den sista ronden; matchen gav honom utmärkelsen Fight of the Night.
2011
Diaz mötte Rory MacDonald den 30 april 2011 på UFC 129. Diaz kunde inte sätta upp något större anfall och förlorade via enhälligt domslut. Efter förlusten uppgav Diaz att han skulle flytta tillbaka ner till lättviktsdivisionen.
Diaz besegrade den före detta PRIDE-mästaren i lättvikt Takanori Gomi den 24 september 2011 på UFC 135 via armbar submission i den första ronden. Han fick utmärkelsen Submission of the Night för sin prestation.
Diaz besegrade Donald Cerrone på UFC 141 via enhälligt domslut (30-27, 30-27 och 29-28) i en prestation som gav båda deltagarna utmärkelsen Fight of the Night. Trots att Diaz slogs omkull flera gånger av svepande bensparkar från Cerrone gjorde han en av de bästa prestationerna i sin karriär. Diaz satte ett CompuStrike-rekord och landade 82 % av de slag han kastade på vägen till segern över Cerrone.
2012
Diaz fick efter flera års träning äntligen sitt svarta bälte i brasiliansk jiu-jitsu av Cesar Gracie. Han fick sitt svarta bälte en månad före sin match mot kollegan Jim Miller, svart bälte i brasiliansk jiu-jitsu.
Diaz ställdes nästa gång mot Jim Miller den 5 maj 2012 på UFC on Fox 3. Diaz utboxade Miller under större delen av de två första ronderna och fällde till och med Miller med en rak vänster i slutet av den första ronden. Mot slutet av andra ronden sköt Miller in för en nedtagning, som Diaz stoppade och kontrade med ett rullande giljotinchocker, vilket tvingade fram en nedtagning vid 4:09 av andra ronden. Inlägget gav Diaz sitt femte bonuspris för Submission of the Night. Det var också första gången Miller stoppades i sin MMA-karriär.
Diaz mötte Benson Henderson den 8 december 2012 på UFC on Fox 5 i huvudmatchen om UFC:s lättviktsmästerskap. Diaz förlorade den ensidiga matchen via enhälligt domslut. Tre veckor före mästerskapsmatchen skrev Diaz på ett kontrakt om åtta matcher med UFC.
2013
Diaz mötte den tidigare Strikeforce-mästaren i lättvikt, Josh Thomson, den 20 april 2013 på UFC on Fox 7. Han förlorade matchen via TKO på grund av en huvudspark och slag, under vilken Nates bror Nick Diaz fysiskt kastade en handduk in i oktagonen, i ett försök att signalera till domaren att avsluta matchen. Den 16 maj 2013 blev Diaz avstängd av UFC för att ha brutit mot UFC:s uppförandekod genom att använda ett homofobiskt skällsord på sin Twitter-sida. UFC uttryckte sin besvikelse och stängde av honom; han stängdes slutligen av i 90 dagar och dömdes till böter på 20 000 dollar.
En gummimatch mot Gray Maynard ägde rum den 30 november 2013 i huvudmatchen vid The Ultimate Fighter 18 Finale. Diaz vann via TKO i den första ronden. Stoppet gav honom sin första Knockout of the Night-bonus.
2014
Den 5 maj 2014 togs både Nate Diaz och UFC-kollegan TJ Grant bort från UFC:s lättviktsranking efter att ha bedömts som inaktiva av UFC.
Efter över ett års uppehåll från sporten återvände Diaz från sitt självvalda uppehåll och mötte Rafael Dos Anjos den 13 december 2014 på UFC on Fox 13. Diaz missade vikten och kom in på 160,6 pund. Han fick ytterligare tid på sig för att klara lättviktsgränsen och sänkte sig till 155,2 kg. Han fick dock fortfarande böter på 20 procent av sin vinstsumma, som gick till Rafael dos Anjos. Diaz, som verkade omotiverad och irriterad under större delen av matchen, förlorade den ensidiga matchen via enhälligt domslut (30-26, 30-26 och 30-27).
2015
Diaz kopplades kortvarigt ihop med en welterviktsmatch mot Matt Brown den 11 juli 2015 på UFC 189. I mitten av april meddelade dock Brown att paret hade skrotats.
Efter att ha suttit utanför igen i över ett år återvände Diaz för att möta Michael Johnson den 19 december 2015 på UFC on Fox 17. Han vann matchen genom enhälligt domslut efter att ha lagt fram en absolut boxningsklinik över Johnson och fortsatte med att ge en av de mest ökända intervjuerna efter matchen i UFC:s historia, där han kallade ut Conor McGregor genom att säga ”du tar allt jag jobbar för, din jävel, och jag ska slåss mot ditt jävla arsle” i direktsändning på TV. Båda deltagarna tilldelades Fight of the Night hedersbetygelser.
2016
Diaz var satt som ersättare för att möta Conor McGregor den 5 mars 2016 på UFC 196 och ersatte en skadad Rafael dos Anjos. Eftersom Diaz endast hade elva dagars varsel ägde matchen rum i weltervikt (170 lbs) på grund av brist på tid att gå ner i vikt. Diaz vann matchen via submission i den andra ronden. Detta gav Diaz sin nionde submissionsvinst i UFC, vilket är den näst största genom tiderna efter Royce Gracie. Båda fighters tilldelades utmärkelsen Fight of the Night och Diaz belönades även med bonusen Performance of the Night.
En returmatch mot McGregor var planerad till den 9 juli 2016 på UFC 200. Den 19 april meddelade dock UFC att McGregor hade dragits tillbaka från evenemanget efter att ha misslyckats med att uppfylla medieförpliktelser i Las Vegas i samband med matchen. Matchen mot McGregor flyttades i sin tur och ägde rum månaden därpå, tävlad återigen i weltervikt, vid UFC 202. Diaz förlorade returmatchen via majoritetsbeslut. Tävlingen tilldelades återigen Fight of the Night hedersbetygelser.
På presskonferensen efter matchen på UFC 202 bröt Diaz mot USADA:s regel genom att röka CBD, Cannabidiol, vape pen inom fyra timmar efter en match. Han blev inte bestraffad eftersom CBD inte anses vara en PED. USADA ändrade sina regler och lyfte CBD från förbudslistan inte långt därefter.
2018
Efter ett två år långt uppehåll meddelades det den 3 augusti 2018 att Diaz förväntades återvända den 3 november mot Dustin Poirier i en lättviktsmatch. Denna match förväntades fungera som co-headliner för UFC 230. Den 9 oktober 2018 meddelades dock att Poirier drog sig ur på grund av skada och som en följd av detta ställdes matchen in.
2019
Nate Diaz återvände till tävlingen den 17 augusti på UFC 241. Han mötte Anthony Pettis i en welterviktsmatch som fungerade som co-main event. Med en dominant prestation vann han matchen genom enhälligt domslut.
Diaz mötte Jorge Masvidal den 2 november 2019 i huvudmatchen på UFC 244. I en unik situation bekräftade UFC:s ordförande Dana White att huvudmatchen var för ett firande ”baddest motherfucker”-bälte (”BMF”). Masvidal vann matchen via teknisk knockout via läkarstopp mellan tredje och fjärde ronden när burläkaren konstaterade att ett sår över Diaz högra öga gjorde honom oförmögen att fortsätta.