2018년 UFC와 계약을 맺었고 UFC 231에서 제시 론슨을 대신해 디에고 페레이라와 맞붙었다. 경기 초반 페레이라의 오버핸드에 체크훅으로 돌려줬고 바디샷으로 유효타를 쌓고 페레이라의 테이크다운을 저지했다. 하지만 시간이 지날수록 페이스가 처지기 시작했고 붕붕훅을 휘두르자 페레이라가 테이크다운에 성공한다. 하프가드를 패스당한 뒤 풀마운트를 내주고 파운딩을 허용했지만 라운드가 종료되어 살았다. 2라운드 페레이라가 콤비네이션으로 넬슨을 넉다운시켰고 풀마운트에서 파운딩으로 넬슨이 반응을 보이지 못하며 TKO패했다.
UFC Fight Night 218에서 최두호와의 경기에서 논란의 무승부를 거두었다. 최두호의 타격을 견제한 카일 넬슨은 경기 초반부터 하이 가드로 안면을 단단히 방어하였고 이를 의식한 최두호가 지속적으로 카프킥으로 하체 쪽에 데미지를 넣는 등 나름 선전했지만 이따금씩 들어오는 카일 넬슨의 테이크 다운으로 인해 최두호 역시 몇번 고비가 있었다. 그렇게 서로 치열한 공방을 주고받다가 3라운드에서 흥분한 최두호가 고의인지 실수인지 모를 헤드 버팅(박치기)이 나왔고 결국 1포인트 감점으로 인해 무승부 판정이 나왔다.
UFC on ESPN 54 에서 자신과 같이 2연승을 달리고 있는 빌 알지오와 맞붙었다. 1라운드 타격 공방을 이어가다 알지오에게 강력한 오버핸드를 적중시켜 휘청거리게 만들었고 곧이어 펀치와 킥 연타를 넣어 알지오를 궁지에 몰았다. 다운시키지는 못했지만 알지오가 선 채로 펀치에 반응을 못하면서 얻어맞자 심판이 스탠딩 상태에서 경기를 끝내며 넬슨의 1라운드 TKO승이 선언된다. 이로써 3연승을 거두게 되었다.