È stato campione UFC dei pesi massimi ad interim nel 2010 sconfiggendo Frank Mir nell'incontro titolato. Ha vinto i suoi primi dodici incontri nella arti marziali miste tutti al primo round prima di venire sconfitto per la prima volta contro il campione in carica Brock Lesnar nel match valevole per la cintura dei pesi massimi. La seconda sconfitta consecutiva della carriera arriva ad UFC 131 contro Junior dos Santos nel combattimento che avrebbe assegnato il ruolo di primo sfidante del nuovo campione assoluto Cain Velasquez. Ha fatto anche da allenatore nella 16ª stagione del reality show The Ultimate Fighter.

Carriera nelle arti marziali miste Carwin ha vinto i suoi primi otto combattimenti in carriera nel primo round diventando Ring of Fire heavyweight champion prima di firmare con l'UFC. Shane si allenava a Greeley, Colorado, alla Grudge Training Center con il famoso coach di arti marziali miste Trevor Wittman.

Ultimate Fighting Championship Carwin fa il suo debutto in UFC nell'undercard di UFC 84 contro Christian Wellisch, vincendo per KO (pugni) dopo soli 44 secondi dall'inizio del primo round dimostrando la potenza dei suoi pugni. Il secondo incontro lo disputa a Birmingham, Inghilterra, ad UFC 89 contro Neil Wain che supera dopo 1.31 minuti del primo round.

Ad UFC 96 avviene un passo avanti nel livello dei suoi avversari, trovandosi di fronte l'ex primo sfidante al titolo, Gabriel Gonzaga. Con un preciso destro Shane manda KO il brasiliano dopo soli 69 secondi dall'inizio del match.

Ad UFC 104 avrebbe dovuto affrontare Cain Velasquez con in palio la possibilità di sfidare il campione Brock Lesnar. Ad ogni modo l'UFC riconsiderò l'incontro e Carwin fu promosso in un incontro titolato da disputarsi il 21 novembre 2009 a UFC 106. In seguito l'incontro fu posticipato a causa di problemi di salute di Lesnar a UFC 108. Lesnar però dovette rinunciare nuovamente all'incontro che sarebbe stato spostato a metà 2010 per permettere al campione in carica di ristabilirsi completamente da un disordine intestinale e conseguente operazione chirurgica.

Il 27 marzo 2010, Carwin affrontò Frank Mir per l'UFC Interim Heavyweight Championship ad UFC 111, Shane sconfisse Mir nel combattimento più lungo della propria carriera dopo 3 minuti e 48 secondi, diventando quindi campione ad interim della federazione. In seguito al match Beau Dure di USA Today paragonò Carwin a Mike Tyson, riprendendo tale paragone fatto prima dell'evento da Mark Wayne di Fightline.com.

L'incontro successivo arriva però la prima sconfitta in carriera ad opera di Brock Lesnar nel match per il titolo mondiale dei pesi massimi. Carwin dominò il primo round mandando al tappeto il campione ed effettuando un ground and pound nel primo round. Nella seconda ripresa invece Shane cade vittima di un'arm triangle choke venendo costretto alla resa.

Il 1º gennaio Carwin avrebbe dovuto affrontare Roy Nelson ad UFC 125 ma è costretto a posticipare l'incontro a causa di un infortunio e conseguente operazione al collo.

Ad UFC 131 Carwin avrebbe dovuto affrontare il nuovo arrivato Jon Olav Einemo mentre nel main event avrebbero dovuto sfidarsi Brock Lesnar e Junior dos Santos per il titolo di primo sfidante al titolo. A causa della diverticolite di Lesnar però, Shane fu promosso nel main event dello show contro il brasiliano. Malgrado la propria resistenza, Shane dovette subire il potente striking del futuro campione dei pesi massimi, venendo sconfitto per decisione unanime nel primo match in carriera finito con una decisione dei giudici.

Il 16 ottobre 2011 viene rivelato che Carwin necessita di un nuovo intervento chirurgico e il suo ritorno è previsto per la metà del 2012. Carwin torna come allenatore della sedicesima stagione del reality show The Ultimate Fighter opposto a Roy Nelson, contro il quale doveva combattere il 1º dicembre 2012 ma a causa di un infortunio al ginocchio saltò la sfida.

Nel maggio 2013 annuncia il suo ritiro ufficiale dalle MMA.

Le sue dodici vittorie consecutive in carriera sono avvenute tutte nel primo round e con una durata totale di 16:10, poco più del tempo limite di un incontro non valido per un titolo.

Risultati nelle arti marziali miste

RisultatoRecordAvversarioMetodoEventoDataRoundTempoCittàNoteSconfitta12–2 Junior dos SantosDecisione (unanime)UFC 131: Dos Santos vs. Carwin11 giugno 201135:00 Vancouver, CanadaEliminatoria per il titolo dei Pesi Massimi UFCSconfitta12–1 Brock LesnarSottomissione (triangolo di braccio)UFC 116: Lesnar vs. Carwin3 luglio 201022:19 Las Vegas, Stati UnitiPer il titolo dei Pesi Massimi UFCVittoria12–0 Frank MirKO (pugni)UFC 111: St-Pierre vs. Hardy27 marzo 201013:48 Newark, Stati UnitiVince il titolo dei Pesi Massimi UFC ad InterimVittoria11–0 Gabriel GonzagaKO (pugno)UFC 96: Jackson vs. Jardine7 marzo 200911:09 Columbus, Stati UnitiVittoria10–0 Neil WainKO Tecnico (pugni)UFC 89: Bisping vs. Leben18 ottobre 200811:31 Birmingham, Regno UnitoVittoria9–0 Christian WellischKO (pugno)UFC 84: Ill Will24 maggio 200810:44 Las Vegas, Stati UnitiDebutto in UFCVittoria8–0 Sherman PendergarstKO Tecnico (pugni)ROF 31: Undisputed1º dicembre 200711:41 Broomfield, Stati UnitiVince il titolo dei Pesi Massimi Ring of FireVittoria7–0 Rex RichardsSottomissione (ghigliottina)Art of War 427 ottobre 200711:24 Tunica, Stati UnitiVittoria6–0 Rick SlatonKO (pugno)ROF 30: Domination15 settembre 200710:49 Broomfield, Stati UnitiVittoria5–0 Chris GuillenSottomissione (rear naked choke)Ultimate Texas Showdown 624 giugno 200610:29 Frisco, Stati UnitiVittoria4–0 Justice SmithKO Tecnico (pugni)Extreme Wars 3: Bay Area Brawl3 giugno 200610:31 Oakland, Stati UnitiVittoria3–0 Jay McCownSottomissione (rear naked choke)Ultimate Texas Showdown 529 aprile 200611:31 Texas, Stati UnitiVittoria2–0 Casey JacksonSottomissione (ghigliottina)Extreme Wars 2: X-118 marzo 200610:22 Honolulu, Stati UnitiVittoria1–0 Carlton JonesKO Tecnico (sottomissione ai pugni)WEC 17: Halloween Fury 414 ottobre 200512:11 Lemoore, Stati UnitiDebutto in WEC

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