Wczesna kariera

Przed dołączeniem do UFC walczył głównie w europejskich organizacjach, często w swoim kraju. Zgromadził wówczas rekord 10-2.

UFC

W swoim debiucie dla UFC 20 sierpnia 2016, poddał duszeniem gilotynowym Alberta Emilliana Pereirę w pierwszej rundzie.

W drugiej walce dla amerykańskiej organizacji zmierzył się z Antônio Carlosem Júniorem na UFC 207 30 grudnia 2016 roku. Walka trwała trzy rundy i przegrał ją przez jednogłośną decyzję sędziów.

25 czerwca 2017 roku podczas UFC Fight Night: Chiesa vs. Lee zmierzył się z Vitorem Mirandą. Zwyciężył starcie przez jednogłośną decyzję sędziów.

Następnie skrzyżował rękawice z Omarim Akhmedovem 30 grudnia na gali UFC 219. Walka zakończyła się jednogłośnym remisem. Jeden z sędziów punktował 29-28 dla Vettoriego, a inni uznali to za remis 28-28, przy czym Achmedow wygrał dwie pierwsze rundy.

Kolejna walka Marvina została zaplanowana na 14 kwietnia 2018 r. z przyszłym mistrzem Israelem Adesanyą na UFC on Fox 29. Przegrał walkę w wyniku niejednogłośnej decyzji.

23 kwietnia 2019 r. poinformowano, że został zawieszony na 6 miesięcy, ponieważ uzyskał pozytywny wynik testu na ostarynę, selektywny modulator receptora androgenowego. W teście Agencja Antydopingowa w Stanach Zjednoczonych ustaliła, że pozytywny wynik testu był wynikiem skażonego suplementu diety i nie znalazła dowodów na celowe stosowanie zakazanej substancji. Do walk stał się ponownie uprawniony 24 lutego 2019 r.

13 lipca 2019 roku na UFC Fight Night 155 zmierzył się z Cezarem Ferreirą i wygrał walkę jednogłośną decyzją.

Po walce z Ferreirą, podpisał nowy kontrakt z UFC i miał zmierzyć się z Andrew Sanchezem 14 września 2019 roku na UFC on ESPN+ 16, zastępując kontuzjowanego Davida Brancha. Później doniesiono, że Sanchez został zmuszony do wycofania się z gali z powodu infekcji oka, co spowodowało anulowanie walki w tym terminie. Pojedynek ostatecznie miał miejsce miesiąc później na UFC on ESPN+ 19, gdzie zwycięzcą po jednogłośnej decyzji okazał się Vettori.

21 marca 2020 roku podczas UFC Fight Night: Woodley vs. Edwards miał zmierzyć się z Darrenem Stewartem, jednak z powodu pandemii COVID-19 wydarzenie zostało odwołane. Jego nowym rywalem został Karl Roberson, z którym miał zmierzyć 25 kwietnia 2020 r., ale 9 kwietnia szef UFC ogłosił, że to wydarzenie zostało przełożone na 13 maja 2020, na galę UFC Fight Night: Smith vs. Teixeira. Podczas ważenia Roberson ważył powyżej limitu wagi średniej, a z walki został usunięty z powodu rabdomiolizy. Zawodnicy ponownie spotkali się 13 czerwca 2020 r. na UFC na ESPN: Eye vs. Calvillo. Podczas ważenia 12 czerwca Roberson po raz kolejny ważył powyżej limitu wagi średniej i został ukarany grzywną w wysokości 30% swojej gaży. Vettori wygrał walkę przez poddanie w pierwszej rundzie i dostał bonus za występ wieczoru.

5 grudnia 2020 r. na UFC on ESPN 19 zmierzył się z Jackiem Hermanssonem. Pierwotny przeciwnik Hermannsona, Kevin Holland, uzyskał pozytywny wynik testu na COVID-19. Wygrał walkę jednogłośną decyzją sędziów.

Na UFC on ABC 2 miał zmierzyć się z Darrenem Tillem, ale 30 marca Till wydał oświadczenie o wycofaniu się z walki z powodu złamanego obojczyka. Till został zastąpiony przez Kevina Hollanda, który przegrał z Vettorim jednogłośną decyzją.

Rewanż pomiędzy Vettorim i Israelem Adesanyą o tytuł mistrza wagi średniej UFC odbył się 12 czerwca 202, w Main Evencie UFC 263. Przegrał walkę jednogłośną decyzją.

W wadze półciężkiej zadebiutował 23 października 2021 roku na UFC Fight Night 196 mierząc się z Brazylijczykiem Paulo Costą. Pierwotnie pojedynek zaplanowano w wadze średniej, a później w limicie umownym, jednak przeciwnik ważył dwadzieścia pięć funtów powyżej limitu wagi średniej. Wygrał walkę jednogłośną decyzją i zdobył bonus za występ wieczoru.

11 czerwca 2022 roku na UFC 275 miał zmierzyć się z byłym mistrzem wagi średniej, Robertem Whittakerem, jednak Whittaker wycofał się z nieznanych powodów. Walka została przełożona na UFC Fight Night: Gane vs. Tuivasa 3 września 2022 roku. Przegrał walkę jednogłośną decyzją.

Na gali UFC 286, która odbyła się 18 marca 2023 w Londynie stoczył walkę z Gruzinem, Romanem Dolidze. W pojedynku otwierającym kartę główną gali zwyciężył jednogłośną decyzją sędziów.

Mieszane sztuki walki

• 2015: Mistrz Venator FC w wadze półśredniej