Anfänge

Sonnen begann seine Mixed-Martial-Arts-Karriere im Alter von 20 Jahren, als er Ben Hailey am 10. Mai 1997 nach Punkten besiegen konnte. Sein nächster (dokumentierter) Kampf fand allerdings erst knapp fünf Jahre später am 30. März 2002 statt. In diesem Kampf besiegte er den späteren Strikeforce- und UFC-Kämpfer Jason Miller ebenfalls nach Punkten. Diese beiden Kämpfe fanden im Mittelgewicht statt, Sonnens folgende Kämpfe aber im Halbschwergewicht.

Am 13. April 2002 nahm Sonnen am DangerZone LHW Tournament teil, das sich über zwei Runden erstreckte, und gewann dieses und damit die DangerZone Lightheavyweight Championship. Nach zwei weiteren Siegen folgte am 25. Januar 2003 Sonnens erste Niederlage, als er von Trevor Prangley durch Aufgabe in der ersten Runde besiegt wurde. Auf diese Niederlage folgte ein Unentschieden gegen Akihiro Gono und seine zweite Niederlage. Sein Gegner war der spätere UFC Light Heavyweight Champion Forrest Griffin, der ihn in der ersten Runde durch Aufgabe besiegen konnte.

Sonnen stellte nach dieser Niederlage eine Siegesserie über fünf Kämpfe auf, verlor aber seine nächsten drei Kämpfe, zwei davon gegen Jeremy Horn. Seinen nächsten Kampf konnte er gewinnen, den darauffolgenden verlor er aber wieder. Sonnen gewann allerdings seine nächsten zwei Kämpfe und erhielt einen UFC-Vertrag.

Erste Zeit in der UFC

Sein UFC-Debüt gab er am 7. Oktober 2005 gegen Renato Sobral und verlor dieses durch Aufgabe in der zweiten Runde. Nach diesem Kampf wechselte er ins Mittelgewicht und besiegte in jenem Trevor Pringley am 6. April 2006 nach Punkten. Am 27. Mai 2006 bestritt er seinen dritten Kampf gegen Jeremy Horn. Sonnen sprang hier kurzfristig für Evan Tanner ein, der den Kampf aufgrund persönlicher Probleme absagen musste. Sonnen verlor hier, wie im zweiten Kampf, erneut per Aufgabe gegen Horn. Kurz darauf wurde er entlassen.

Nach UFC

Nach seiner Entlassung gewann Sonnen fünf Kämpfe hintereinander. Daraufhin erhielt er am 12. Dezember 2007 einen Titelkampf für die WEC Middleweight Championship gegen Paulo Filho. Das Kampfende wurde als kontrovers bezeichnet, da der Ringrichter den Kampf stoppte, als Sonnen sich in einem Triangle Choke befand und nach Ansicht des Ringrichters nicht antwortete, als dieser ihn fragte, ob er aufgeben wolle. Sonnen hingegen sagte, dass er dem Ringrichter mitgeteilt habe, dass er nicht aufgeben wolle. Daraufhin sollte am 26. März 2008 ein Rückkampf stattfinden, Filho schied aber aufgrund eines Drogenentzugs aus. Stattdessen traf Sonnen auf Bryan Baker, den er nach Punkten besiegte. Der Rückkampf fand am 5. November 2008 statt, den Sonnen nach Punkten gewinnen konnte. Filho überschritt aber das Gewichtslimit, wodurch es nicht um den Titel ging. Nach dem Kampf kündigte Filho an, den Titel aufzugeben. Durch die Integration der Mittelgewichtsdivision der WEC in die UFC kam es allerdings nicht dazu, da Sonnen dadurch zur UFC zurückkehrte.

Rückkehr zur UFC

Durch die Auflösung der Mittelgewichtsdivision der WEC kam er zur UFC zurück. Seinen ersten Kampf verlor er aber durch Aufgabe gegen Demian Maia. In seinem nächsten Kampf trat er als Ersatz für Yushin Okami, der sich zuvor verletzte, gegen Dan Miller an. Sonnen gewann den Kampf nach Punkten. Auch seinen nächsten Kampf konnte er nach Punkten gewinnen, diesmal gegen Yushin Okami. Durch seinen folgenden Sieg über Nate Marquardt bekam er einen Titelkampf gegen Anderson Silva (Kampfsportler) zugesprochen. Sonnen konnte die ersten vier Runden gewinnen, wurde dann aber in der fünften Runde zur Aufgabe gezwungen. Bei Sonnen wurden erhöhte Testosteronwerte festgestellt, weshalb er für ein Jahr gesperrt wurde.

Sonnen gab an, dass bei ihm Hypogonadismus diagnostiziert wurde und er daher eine Testosterone Replacement Therapy (TRT) benötige. Die Sperre blieb allerdings weiter bestehen, wurde aber auf sechs Monate verkürzt. Am 8. Oktober 2011 kehrte er mit einem Aufgabesieg über Brian Stann zurück. Daraufhin gewann er einen Kampf gegen Michael Bisping nach Punkten, worauf er einen Rückkampf gegen Anderson Silva erhielt. Sonnen unterlag erneut, diesmal durch TKO in Runde 2. Sonnen kehrte daraufhin ins Halbschwergewicht zurück. Es wurde zunächst ein Kampf gegen Forrest Griffin festgesetzt, dieser wurde abgesetzt, da Sonnen als Coach für The Ultimate Fighter festgesetzt wurde und trat nach Ende der Staffel gegen den anderen Coach und Halbschwergewichtschampion Jon Jones um dessen Titel an. Diesen Kampf verlor Sonnen am 27. April 2013 durch TKO in der ersten Runde. Sein nächster Kampf fand am 17. August 2013 statt. Dort trat er gegen Mauricio Rua an, den er durch Aufgabe in der ersten Runde besiegen konnte. Hier für erhielt er die Submission of the Night-Auszeichnung.

2014 wurde Sonnen für zwei Jahre gesperrt, weil bei einem Dopingtest bei ihm HGH und EPO festgestellt wurden.