Combatte nella divisione dei pesi welter per l'organizzazione statunitense UFC, dove ha combattuto anche nella categoria dei pesi medi. Nel 2013 ha vinto il torneo dei pesi medi della diciassettesima stagione del reality show The Ultimate Fighter, divenendo a soli ventuno anni il più giovane a risultare vittorioso in una stagione del programma.
Carriera nelle arti marziali miste Inizi Gastelum nasce nel 1991 in California da una coppia di messicani immigrati negli Stati Uniti. Cresce in Arizona, dove inizia a praticare la lotta a livello scolastico vincendo un campionato statale; successivamente abbandona gli studi e dopo una breve parentesi lavorativa come garante per la cauzione di criminali passa allo sport professionistico.
Debutta nelle MMA nel dicembre 2010 e in due anni ottiene cinque vittorie consecutive finalizzando tutte e cinque gli avversari; dopo gli ottimi risultati conseguiti venne scelto dalla prestigiosa UFC per prendere parte alla diciassettesima stagione del reality show The Ultimate Fighter nella categoria dei pesi medi.
The Ultimate Fighter Gastelum venne inserito nel team guidato da Chael Sonnen opposto alla squadra di Jon Jones. Nel primo turno ottenne la sua prima vittoria ai punti in carriera sconfiggendo Kito Andrews; seguirono le vittorie per finalizzazione contro l'esperto Bubba McDaniel, Collin Hart ed in semifinale contro l'ex Bellator Josh Samman, ottenendo così l'accesso alla finalissima programmata per l'evento The Ultimate Fighter 17 Finale: Faber vs. Jorgensen.
Ultimate Fighting Championship Gastelum esordì ufficialmente in UFC nell'aprile 2013 giocandosi la finale del torneo dei pesi medi contro il più quotato e spettacolare striker Uriah Hall: Gastelum fece valere la sua migliore lotta e riuscì a strappare una risicata vittoria per decisione non unanime.
Dopo la vittoria prese la decisione di scendere nella divisione dei pesi welter ed in agosto affrontò e sconfisse l'ex Bellator e Strikeforce Brian Melancon.
Aprì il 2014 con una discussa vittoria per decisione non unanime sull'esperto Rick Story, ma durante l'anno l'atleta nativo di San Jose crebbe notevolmente e si inserì come un top fighter della divisione grazie alla vittoria su Nico Musoke ma soprattutto alla grande vittoria per sottomissione sull'eterno top 10 Jake Ellenberger.
Nel 2015 venne chiamato ad affrontare il contendente numero 3 dei ranking Tyron Woodley: Gastelum fallì il limite di peso per l'incontro e per la prima volta in carriera subì una sconfitta, anche se per decisione non unanime dei giudici di gara; a causa dei suoi problemi con il peso l'UFC prese la decisione di obbligarlo a tornare nella divisione dei pesi medi.
Nel suo ritorno nei pesi medi affrontò il veterano Nate Marquardt, dominando l'intero incontro sia al suolo e sia in piedi. La vittoria arrivò tra il secondo e il terzo round, quando i secondi di Nate decisero di fermare l'incontro a causa dei troppi colpi subito nel round precedente.
A novembre avrebbe dovuto affrontare, in un incontro valido per la categoria dei pesi welter, Matt Brown. Tuttavia, quest'ultimo dovette rinunciare all'incontro a causa di un infortunio alla caviglia subito in allenamento; al suo posto venne inserito Neil Magny. Gastelum venne sconfitto per decisione non unanime. Assieme al suo avversario vinse il premio Fight of the Night
A dicembre avrebbe dovuto affrontare l'australiano Kyle Noke all'evento UFC 195. Tuttavia, il 22 dicembre, Gastelum subì un infortunio al polso e non potendo prendere parte all'incontro venne sostituito da Alex Morono.
Il 9 luglio del 2016 affrontò l'ex campione dei pesi welter UFC Johny Hendricks all'evento UFC 200. Durante la verifica del peso, Hendricks superò il limite massimo andando a pesare 77,68 kg, costringendo la UFC a cambiare il match in un incontro catchweight. Gastelum vinse per decisione unanime.
A novembre avrebbe dovuto affrontare Jorge Masvidal, ma il 14 settembre la UFC decise di rimuoverlo dalla card in favore del match contro Donald Cerrone, che si dovrà tenere il 12 novembre all'evento UFC 205. Ancora una volta Gastelum ebbe problemi con il taglio del peso, infatti non si presentò alla cerimonia del peso, annunciando via twitter di non poter affrontare Cerrone.
Il 10 dicembre dovette vedersela con il ritornante Tim Kennedy, all'evento UFC 206. Al primo round Gastelum si trovò in difficoltà, trovandosi per tutta la durata del round contro la gabbia impossibilitato a muoversi per la costante pressione di Kennedy. Successivamente, nelle ultime due riprese, Gastelum sfruttò il suo miglior cardio e la sua superiorità nella boxe per vincere l'incontro per KO tecnico.
Il 22 luglio viene sconfitto per sottomissione dall'ex campione dei pesi medi Chris Weidman, mentre il 25 novembre mette KO al primo round l'ex campione dei pesi medi Michael Bisping (che solo tre settimane prima aveva perso il titolo contro Georges St-Pierre) vincendo il premio Performance of the Night; Gastelum avrebbe dovuto affrontare Anderson Silva, ma questi venne sospeso dalla USADA dopo aver fallito un test anti-doping.
Il 12 aprile 2018 vince per decisione non unanime contro Ronaldo Souza ottenendo anche il premio Fight of the Night; nel giugno viene scelto come allenatore della ventottesima stagione di The Ultimate Fighter e contrapposto al team guidato dal campione dei pesi medi Robert Whittaker: i due si sarebbero dovuti affrontare per il titolo a UFC 234, ma poche ore prima dell'evento il campione fu costretto a dare forfait a causa di un'ernia addominale che richiese un'operazione chirurgica d'urgenza.
Esattamente un anno dopo il suo ultimo incontro, il 13 aprile 2019 affronta Israel Adesanya per il titolo ad interim, ma alla fine delle cinque riprese viene sconfitto per decisione unanime; entrambi ricevono il riconoscimento Fight of the Night.
Risultati nelle arti marziali miste Gli incontri segnati su sfondo grigio si riferiscono ad incontri di esibizione non ufficiali o comunque non validi per essere integrati nel record da professionista.
Risultato Record Avversario Metodo Evento Data Round Tempo Città NoteVittoria18-10 (1) Dustin StoltzfusDecisione (unanime)UFC Fight Night: Lopes vs. Silva13 settembre 202535:00 San Antonio, Stati UnitiIncontro Catchweight (191 lb). Gastelum ha mancato il pesoSconfitta18-10 (1) Joe PyferDecisione (unanime)UFC 3167 giugno 202535:00 Newark, Stati UnitiVittoria18-9 (1) Daniel RodriguezDecisione (unanime)UFC on ABC: Whittaker vs. Aliskerov22 giugno 202435:00 Riyadh, Arabia SauditaL'incontro, originariamente previsto nei welter, è stato spostato nei pesi medi per problemi a tagliare peso da parte di Gastelum Sconfitta17-9 (1) Sean Brady Sottomissione (kimura)UFC on ESPN: Dariush vs. Tsarukyan2 dicembre 202331:43 Austin, Stati UnitiRitorno nei pesi welter Vittoria17-8 (1) Chris Curtis Decisione (unanime)UFC 2878 aprile 202335:00 Miami, Florida Fight of the NightSconfitta16-8 (1) Jared CannonierDecisione (unanime)UFC on ESPN: Cannonier vs. Gastelum21 agosto 202155:00 Las Vegas, Stati UnitiSconfitta16-7 (1) Robert WhittakerDecisione (unanime)UFC on ESPN: Whittaker vs. Gastelum17 aprile 202155:00 Las Vegas, Stati UnitiFight of the NightVittoria16-6 (1) Ian HeinischDecisione (unanime) UFC 258: Usman vs. Burns13 febbraio 202135:00 Las Vegas, Stati UnitiSconfitta 15-6 (1) Jack HermanssonSottomissione (heel hook)UFC Fight Night: Figueiredo vs. Benavidez 219 luglio 202011:18 Abu Dhabi, Emirati ArabiSconfitta15-5 (1) Darren TillDecisione (non unanime)UFC 244: Masvidal vs. Diaz2 novembre 201935:00 New York, Stati UnitiSconfitta15-4 (1) Israel AdesanyaDecisione (unanime)UFC 236: Holloway vs. Poirier 213 aprile 201955:00 Atlanta, Stati UnitiPer il titolo dei pesi medi UFC ad interim, Fight of the NightVittoria15-3 (1) Ronaldo SouzaDecisione (non unanime) UFC 224: Nunes vs. Pennington12 maggio 201835:00 Rio de Janeiro, BrasileFight of the NightVittoria14-3 (1) Michael BispingKO (pugno)UFC Fight Night: Bisping vs. Gastelum25 novembre 201712:30 Shangai, CinaPerformance of the NightSconfitta13-3 (1) Chris WeidmanSottomissione (triangolo di braccio)UFC on Fox: Weidman vs. Gastelum22 luglio 201733:45 Uniondale, Stati UnitiNo Contest13-2 (1) Vítor BelfortNo Contest UFC Fight Night: Belfort vs. Gastelum11 marzo 2017 Fortaleza, BrasileLa vittoria per KO tecnico di Gastelum venne convertita in No Contest dopo che questi risultò positivo alla marijuanaVittoria13-2 Tim KennedyKO Tecnico (pugni)UFC 206: Holloway vs. Pettis10 dicembre 201632:45 Toronto, CanadaIncontro di pesi mediVittoria12-2 Johny HendricksDecisione (unanime)UFC 200: Tate vs. Nunes9 luglio 201635:00 Las Vegas, Stati UnitiIncontro catchweightSconfitta11-2 Neil MagnyDecisione (non unanime)The Ultimate Fighter: Latin America 2 Finale21 novembre 201555:00 Monterrey, MessicoFight of the NightVittoria11-1 Nate MarquardtKO Tecnico (ritiro)UFC 188: Velasquez vs. Werdum13 giugno 201525:00 Città del Messico, MessicoIncontro di pesi mediSconfitta10-1 Tyron WoodleyDecisione (non unanime)UFC 183: Silva vs. Diaz31 gennaio 201535:00 Las Vegas, Stati UnitiIncontro catchweightVittoria10-0 Jake EllenbergerSottomissione (rear-naked choke)UFC 180: Werdum vs. Hunt15 novembre 201414:46 Città del Messico, MessicoPerformance of the NightVittoria9-0 Nico MusokeDecisione (unanime)UFC Fight Night: Swanson vs. Stephens28 giugno 201435:00 San Antonio, Stati UnitiIncontro catchweightVittoria8-0 Rick StoryDecisione (non unanime)UFC 171: Hendricks vs. Lawler15 marzo 201435:00 Dallas, Stati UnitiVittoria7-0 Brian MelanconSottomissione (rear naked choke)UFC Fight Night: Condit vs. Kampmann 228 agosto 201312:26 Indianapolis, Stati UnitiIncontro di pesi welterVittoria6-0 Uriah HallDecisione (non unanime)The Ultimate Fighter 17 Finale13 aprile 201335:00 Las Vegas, Stati UnitiVince il torneo dei pesi medi TUF 17Vittoria Josh SammanSottomissione (rear naked choke)The Ultimate Fighter 179 aprile 201314:03 Las Vegas, Stati UnitiTorneo dei pesi medi TUF 17, semifinaleVittoria Collin HartKO (pugni)The Ultimate Fighter 1726 marzo 201310:33 Las Vegas, Stati UnitiTorneo dei pesi medi TUF 17, quarti di finaleVittoria Bubba McDanielSottomissione (rear naked choke)The Ultimate Fighter 1717 febbraio 201322:39 Las Vegas, Stati UnitiTorneo dei pesi medi TUF 17, Secondo turnoVittoria Kito AndrewsDecisione (unanime)The Ultimate Fighter 1722 gennaio 201325:00 Las Vegas, Stati UnitiTorneo dei pesi medi TUF 17, Primo turnoVittoria5–0 Mike AshfordKO Tecnico (pugni)Rage in the Cage 16120 luglio 201211:57 Chandler, Stati UnitiVittoria4–0 Bill SmallwoodSottomissione (rear naked choke)Cage Rage: On the River 27 luglio 201210:55 Parker, Stati UnitiVittoria3–0 Mike GentileKO Tecnico (pugni)Desert Rage Full Contact Fighting 1022 ottobre 201122:32 Yuma, Stati UnitiVittoria2–0 Yair MoguelKO Tecnico (pugni)LAW 1: Heatwave16 luglio 201132:26 Mexicali, MessicoVittoria1–0 José SánchezKO Tecnico (Sottomissione ai pugni)LAF 1: Border Wars11 dicembre 201021:38 Mexicali, Messico
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