2008-2009 Po rozwiązaniu PRIDE FC w 2007 roku Nogueira stał się wolnym agentem. W latach 2008–2009 stoczył kilka walk m.in. w Stanach Zjednoczonych, Japonii i Brazylii. 24 lutego 2009 roku na gali Affliction: Day of Reckoning zmierzył się w rewanżowej walce z Maciuszenko, z którym przegrał w 2002 roku. Nogueira wygrał walkę, nokautując Białorusina uderzeniem kolanem.
UFC 28 sierpnia 2009 roku prezydent UFC Dana White potwierdził, że Nogueira podpisał kontrakt z jego organizacją. Swój pierwszy pojedynek w UFC Brazylijczyk stoczył 21 listopada 2009 roku, na gali UFC 106, a jego przeciwnikiem był Brazylijczyk Luiz Cané. Po niecałych dwóch minutach pierwszej rundy Nogueira zastopował rywala ciosami pięściami. Tym samym zwyciężył w swoim debiucie w UFC oraz wygrał bonus pieniężny za "nokaut wieczoru". Następny pojedynek stoczył na gali UFC 114, która odbyła się 29 maja 2010 roku. Wygrał wtedy z Jasonem Brilzem przez decyzję sędziów oraz zdobył bonus za "walkę wieczoru".
Następnie poniósł dwie porażki przez decyzję sędziów, ulegając na UFC 119 (25 września 2010 roku) Ryanowi Baderowi i na UFC Fight Night: Nogueira vs. Davis (26 marca 2011 roku) Philowi Davisowi.