Kariera MMA W MMA zadebiutowała w 2011. 28 lutego 2013 pokonała Katie Merrill na gali Bellator 91. W latach 2013–2014 walczyła dla organizacji Legacy FC gdzie zdobyła tytuł mistrzyni wagi koguciej nokautując Juliane Werner.
28 lutego 2015 zadebiutowała w UFC pokonując Raquel Pennington na punkty.
14 listopada 2015 na UFC 193 nieoczekiwanie pokonała faworyzowaną mistrzynię Ronde Rousey. Holm znokautowała obrończynię tytułu na oczach prawie 70 tys. widowni zgromadzonej na Stadion Docklands wysokim kopnięciem w głowę odbierając jej pas mistrzowski wagi koguciej który dzierżyła od lutego 2013 czyli od momentu utworzenia dywizji koguciej kobiet w UFC.
Tytuł straciła już w pierwszej obronie 5 marca 2016 na rzecz byłej dwukrotnej rywalki Rousey, Mieshy Tate, która poddała ją w 5. rundzie duszeniem zza pleców.
23 lipca 2016 uległa jednogłośnie na punkty Kirgizce Walentinie Szewczenko. Po tej porażce zmieniła kategorię wagową na wyższą, tocząc 11 lutego 2017 walkę o inauguracyjne mistrzostwo UFC wagi piórkowej kobiet z Holenderką Germaine de Randamie. Walkę tę przegrała jednogłośną decyzją sędziów na punkty, notując trzecią porażkę z rzędu.