Następnie poddał Kelly'ego Dullanty'ego, 22 marca 2002 po czym otrzymał szansę wzięcia udziału w turnieju mającym wyłonić mistrza wagi lekkiej. Serra przegrał w pierwszym pojedynku z B.J. Pennem w 2002 roku i odpadł z rywalizacji o tytuł.
W 2006, wziął udział w reality show The Ultimate Fighter. Zwycięzca czwartej edycji miał otrzymać szansę stoczenia pojedynku o pas mistrzowski wagi półśredniej (do 77 kg). Serra ostatecznie wygrał TUF-a pokonując w finale Chrisa Lytle'a. 7 kwietnia 2007 zmierzył się z mistrzem wagi półśredniej, Kanadyjczykiem Georges'em St-Pierre'em. Serra nieoczekiwanie znokautował obrońcę tytułu już w 1. rundzie, zdobywając mistrzostwo. Tytuł stracił rok później. W rewanżowym starciu z St-Pierre'em uległ w swojej pierwszej obronie pasa pod koniec 2. rundy przez TKO.
Jest pierwszym zawodnikiem oraz jak dotąd jednym z czterech zwycięzców TUF-a, którzy zdobyli później mistrzostwo UFC. Poza Serrą taka sztuka udała się Rashadowi Evansowi, Forrestowi Griffinowi i Michaelowi Bispingowi.
Między 2009 a 2010 stoczył trzy pojedynki – wygrany z Frankiem Triggem oraz przegrane z Mattem Hughesem i rewanżowe z Lytlem.
Mimo iż od 2010 roku był zawodniczo nieaktywny, dopiero 24 maja 2013 ogłosił definitywne zakończenie kariery.