UFC W październiku 2010 WEC zostało połączone z UFC. Zawodnicy WEC przeszli do UFC. Barão zadebiutował w UFC 28 maja 2011 na UFC 130, wygrał z Cole'em Escovedo przez jednogłośną decyzję. Następnie, 5 listopada 2011 na UFC 138, pokonał Brada Picketta przez poddanie w pierwszej rundzie. Jego kolejnym przeciwnikiem 4 lutego 2012 na UFC 143 był Scott Jorgensen. Barão wygrał przez jednogłośną decyzję. W tym czasie mistrz UFC w wadze koguciej Dominick Cruz doznał kontuzji, w związku z czym zapadła decyzja o wyborze tymczasowego mistrza tej kategorii 21 lipca 2012 na UFC 149 Barão pokonał Urijaha Fabera przez jednogłośną decyzję i został tymczasowym mistrzem UFC w wadze koguciej. Następnie obronił ten tytuł 16 lutego 2013 na gali UFC on Fuel TV: Barao vs. McDonald w starciu z Michaelem McDonaldem, którego pokonał przez poddanie w czwartej rundzie Kolejną obronę stoczył 21 września 2013 na UFC 165, gdzie pokonał Eddiego Winelanda, nokautując go w drugiej rundzie. 1 lutego 2014r. miało dojść do walki Renana Barão z Dominickiem Cruzem o zostanie niekwestionowanym mistrzem wagi koguciej UFC. Do tej walki jednak nie doszło, ponieważ Cruz ponownie doznał kontuzji i UFC zadecydowało o odebraniu mu pasa oraz oddaniu go w ręce Barão.