The Ultimate Fighter W kwietniu 2007 wziął udział w piątej edycji reality show organizowanego przez UFC The Ultimate Fighter, gdzie występował w drużynie prowadzonej przez byłego mistrza UFC Jensa Pulvera. Diaz wygrał eliminację wewnątrz programu pokonując trzech rywali przed czasem w tym Graya Maynarda po czym stoczył finałową walkę o zwycięstwo w całej edycji z innym finalistą Mannym Gamburyanem. Ostatecznie to Diaz tryumfował wygrywając na finałowej gali 23 czerwca 2007 przed czasem (kontuzja barku rywala w 2. rundzie) otrzymując tym samym angaż w UFC.
UFC lewo|mały|244x244px|Diaz w 2009 Od zwycięstwa w TUFie do końca 2009 wygrywał pięciokrotnie m.in. z Joshem Neerem i Melvinem Guillardem oraz dwukrotnie przegrywał – z Clayem Guidą i Joe Stevensonem otrzymując za każdym razem pokaźne bonusy finansowe od włodarzy UFC w ramach "poddań" i "walk wieczoru". Na początku 2010, 11 stycznia przegrał w rewanżu z Maynardem niejednogłośnie na punkty po czym wygrał dwukrotnie z mało znanymi zawodnikami. Od 2011 do 2012 stoczył sześć pojedynków, początkowo przegrywając kolejno dwa m.in. z Rorym MacDonaldeem by następnie zwyciężać w trzech z rzędu z Takanori Gomim, Donaldem Cerrone i Jimim Millerem.