UFC W sierpniu 2013 roku zadebiutowała w UFC, nokautując Niemkę Sheilę Gaff w pierwszej rundzie. W kolejnych latach zanotowała bilans czterech zwycięstw (m.in. nad Sarą McMann) oraz jednej porażki z Cat Zingano. Po zwycięstwie nad Walentiną Szewczenko, otrzymała szanse walki o mistrzostwo UFC wagi koguciej z mistrzynią Mieshą Tate. Do walki doszło 9 lipca 2016 na jubileuszowej gali UFC 200. Nunes niespodziewanie wygrała z Tate, przez poddanie (duszenie zza pleców) w pierwszej rundzie, wcześniej rozbijając mistrzynie celnymi ciosami.
30 grudnia 2016 na gali UFC 207 znokautowała pretendentkę do tytułu mistrzowskiego swojej wagi Rondę Rousey, tym samym po raz pierwszy obroniła pas mistrzowski wagi koguciej kobiet
9 września 2017 podczas UFC 215 obroniła drugi raz tytuł wagi koguciej, wypunktowując w rewanżu Kirgizkę Walentinę Szewczenko.
12 maja 2018 pokonała przez techniczny nokaut w piątej rundzie Raquel Pennington, broniąc tym samym po raz trzeci tytuł mistrzyni UFC.
29 grudnia 2018 podczas UFC 232 pokonała posiadaczkę pasa w wadze piórkowej rodaczkę Cristiane Justino przez nokaut w 51.