Mimo iż został zakontraktowany i ściągnięty na galę w ciągu doby jako zastępstwo dla Kułaka (pierwotnie Polak miał się zmierzyć z Niemcem Florianem Mullerem) to jednak okazał się lepszy i wygrał jednogłośnie na punkty. Po dwóch kolejnych zwycięstwach na lokalnych galach w Szwecji, legitymujący się bilansem 8-0 podpisał kontrakt z Ultimate Fighting Championship. W organizacji zadebiutował 14 listopada na UFC 105 nokautując Jareda Hammana. W swojej drugiej walce w UFC, 10 kwietnia 2010 zaliczył pierwszą zawodową porażkę, przegrywając przez poddanie z Philem Davisem.
W latach 2010–2012 zanotował passę sześciu zwycięstw m.in. z Uładzimirem Maciuszenką, Thiago Silvą czy byłym mistrzem UFC Maurício Ruą. 21 września 2013 na gali UFC 165 zmierzył się o pas mistrzowski wagi półciężkiej z Jon Jonesem. Mając porównywalne warunki fizyczne co Amerykanin (Gustaffson: wzrost – 196 cm, zasięg ramion – 201 cm, Jones: 193, 215) upatrywano w Szwedzie jedynego rywala który zdołałby zagrozić mistrzowi. Szwed ostatecznie uległ na punkty Jonesowi po 5-rundowej walce lecz jako pierwszy rywal w karierze Amerykanina nawiązał z nim wyrównaną walkę, a ich pojedynek został okrzyknięty walką roku.