W 2009 wziął udział w reality show The Ultimate Fighter, gdzie podczas trwania programu pokonał m.in. Kimbo Slice'a. W finale, który miał miejsce 5 grudnia 2009, znokautował Brendana Schauba i wygrał 10 edycję TUF-a. Od 2010 do 2012 walczył ze ścisłą czołówką wagi ciężkiej UFC – Stefem Struvem, Mirko Filipoviciem, Juniorem dos Santosem, Frankiem Mirem czy Fabricio Werdumem, wygrywając z dwoma pierwszymi.
W latach 2012–2013 zwyciężył trzy pojedynki z rzędu, pokonując m.in. Cheicka Kongo. 19 października 2013 musiał uznać wyższość Daniela Cormiera, przegrywając z nim na punkty. 11 kwietnia 2014 ciężko znokautował Antônio Rodrigo Nogueirę, otrzymując za to bonus finansowy. 20 września 2014 przegrał przez KO z byłym kickbokserem Markiem Huntem - była to pierwsza porażka w UFC Nelsona przed czasem i w sumie druga w dotychczasowej karierze.
W 2015 nie wygrał żadnego pojedynku, przegrywając wysoko na punkty z Alistairem Overeemem oraz Joshem Barnettem. 24 września 2016 znokautował Antônio Silvę w 2. rundzie.
26 maja 2017 związał się z Bellator MMA.
Osiągnięcia