19 maja 2012 roku doszło do jego trzeciej walki z Joshem Thomsonem. Mimo że Melendez był zdecydowanym faworytem, pojedynek był niespodziewanie wyrównany. W 4. rundzie mistrz był nawet bliski pierwszej w swojej karierze porażki przed czasem, gdy Thomson wyszedł mu za plecy i próbował zakończyć walkę przez duszenie. Ostatecznie, po pięciu rundach boju sędziowie niejednogłośnie przyznali zwycięstwo Melendezowi. UFC Na początku 2013 roku organizacja Strikeforce zakończyła swoje istnienie, a jej zawodnicy zostali włączeni w szeregi Ultimate Fighting Championship. Melendez już w swoim pierwszym występie w nowej organizacji otrzymał szansę walki o tytuł z jej mistrzem, Bensonem Hendersonem, do której doszło 20 kwietnia w San Jose. Po bardzo wyrównanym pojedynku sędziowie przyznali niejednogłośnie zwycięstwo Hendersonowi. Ten dobry występ oraz zwycięstwo w kolejnej emocjonującej walce przeciwko Diego Sanchezowi zapewniły Melendezowi drugą walkę o mistrzostwo UFC, która odbyła się w dniu 6 grudnia 2014 roku na gali UFC 181. Tym razem Melendez uległ broniącemu tytułu Anthony’emu Pettisowi, poddając się w 2. rundzie na skutek duszenia.