Nelson debutó en la UFC contra DaMarques Johnson en un peso acordado de 183 libras.

Nelson sometió a Johnson con un rear-naked choke en la primera ronda.

Sin embargo, Nelson se retiró de la pelea citando una lesión y fue reemplazado por Rick Story.

[4]​ Un año más tarde Nelson regresó a la UFC y enfrentó a Omari Akhmedov el 8 de marzo de 2014 en el UFC Fight Night 37.

La victoria aseguró a Nelson su segunda Actuación de la Noche.

[13]​ En la conferencia de prensa posterior a la pelea, Gunnar afirmó que Ponzinibbio lo golpeó en el ojo durante uno de los intercambios y le hizo ver doble: "Y realmente debería haber dicho algo porque estaba viendo doble por el resto de la pelea.

Él me atrapó con un golpe que realmente no vi".

Si sucedió (el piquete de ojos), por supuesto que no fue intencional, pero volví a ver el video y no vi nada".

[15]​ Se esperaba que Nelson se enfrentara a Neil Magny el 27 de mayo de 2018 en el UFC Fight Night 130.