21 января 2012 года Хабиб провёл свой первый бой под эгидой американского промоушена UFC. Бой закончился его победой над Камалом Шалорусом — в 3-м раунде Хабиб провёл удушающий приём, заставивший Камала сдаться. Американцами сразу был отмечен очень высокий уровень борцовской подготовки Нурмагомедова.
7 июля 2012 года Хабиб провёл свой второй бой под эгидой американского промоушена UFC против одного из лучших бразильских легковесов Глейсона Тибау, входящего в топ-15 лучших бойцов лёгкого веса в мире на UFC 148 в Лас-Вегасе, штат Невада. На протяжении всех трёх раундов россиянин доминировал и выиграл единогласным решением судей.
19 января 2013 года боец встретился с ещё одним известным бразильским легковесом Тиагу Таварисом в Бразилии в городе Сан-Паулу на турнире UFC on FX 7. В основном карде турнира он, сделав апперкот, отправив бразильца в нокдаун, после чего добил его в партере локтями на 1:55 первого раунда. Также он заявил, что хочет драться с одним из лучших бойцов планеты Нэйтом Диасом 20 апреля на UFC on FOX 7 в Сан-Хосе, штат Калифорния.
Крупнейшая компания-организатор боёв по смешанным единоборствам, Ultimate Fighting Championship, в своём неофициальном итоге полугодия назвала наиболее перспективных новичков организации и на четвёртую строчку поставила Нурмагомедова (18-0), дебют которого в UFC состоялся 20 января 2012 года
19 апреля 2014 года Хабиб встретился в клетке с 5-м бойцом в рейтинге UFC Рафаэлем Дус Анжусом на турнире UFC on FOX 11 в Орландо (Флорида). Бой был очень похож на бой против Абеля Трухильо, все три раунда Хабиб доминировал как в стойке, так и в борьбе и выиграл единогласным решением судей.
12 ноября 2016 года на UFC 205 в Нью-Йорке Хабиб Нурмагомедов одержал победу над американским бойцом Майклом Джонсоном болевым приёмом на руку (кимура).
30 декабря 2017 года на UFC 219 в Лас Вегасе Хабиб Нурмагомедов одержал победу над бразильцем Эдсоном Барбоза единогласным решением судей.
Руководство UFC официально заявило, что Нурмагомедов сразится с Яквинта за чемпионский пояс. Несмотря на превышение веса, Дэйна Уайт заявил, что в случае победы, Эл будет назван чемпионом. Хабиб доминировал весь поединок и выиграл единогласным решением судей, став чемпионом UFC в лёгком весе.
В октябре 2018 года успешно защитил свой чемпионский титул на UFC 229, принудив к сдаче ирландца Конора Макгрегора.
Сразу после боя у Нурмагомедова возник словесный конфликт с тренером Макгрегора по джиу-джитсу Деннисом Диллоном, находившимся возле клетки, и Хабиб, перепрыгнув через ограждение, бросился на Диллона. Началась массовая драка, в ходе которой на ринг выскочили члены команды Нурмагомедова, некоторые из которых обменялись ударами с Макгрегором. Пояс чемпиона не был вручён Нурмагомедову на ринге, а его самого, как и проигравшего претендента, увели в подсобные помещения стадиона. Гонорар Нурмагомедова (2 миллиона долларов) был удержан до выяснения обстоятельств Атлетической комиссией штата Невада, санкционировавшей бой. По сообщениям СМИ, Нурмагомедову может грозить штраф и запрет на выступления в UFC, в результате чего, по словам Дэйны Уайта, Хабиб мог быть лишён чемпионского титула.
7 сентября 2019 года Хабиб Нурмагомедов провёл очередную титульную защиту против временного чемпиона Дастина Порье. Бой прошёл в Абу-Даби и был главным событием шоу UFC 242. Бой затянулся на три раунда, в конце последнего раунда Хабиб смог контратаковать после попытки Порье провести болевой приём. перевёл попытку соперника в собственный удушающий приём и одержал 28 победу. После боя чемпион уважительно высказывался о сопернике и передал в его благотворительный фонд 100 тысяч долларов США, позднее его примеру последовал и глава UFC Дэйна Уайт.
Вечером 24 октября 2020 года в Абу-Даби состоялся бой Хабиба Нурмагомедова и американского бойца Джастина Гейджи на турнире UFC 254. Во втором раунде Хабиб сразу провел тейкдаун, перешёл в маунт и закрыл треугольник, Гейджи начал сигнализировать о сдаче, но судья не сразу это заметил. Хабиб Нурмагомедов досрочно победил удушающим приемом.
В интервью после боя Нурмагомедов объявил о завершении карьеры