Po nagłym zerwaniu kontraktu z Sub Pop, Nirvana zaczęła szukać wytwórni płytowej, która miała wydać drugi album zespołu. Za sprawą namów Kima Gordona grupa podpisała kontrakt z DGC Records w 1990. Zespół rozpoczął nagrania do pierwszego albumu wydanego za pośrednictwem oficjalnej wytwórni muzycznej, Nevermind. Producentem albumu wybrany został Butch Vig. Jako studio nagraniowe grupa wybrała Sound City Studios w Van Nuys, Los Angeles. Przez dwa miesiące zespół pracował nad utworami ze swojego repertuaru, które miały się znaleźć na nowym albumie. Niektóre, jak "In Bloom" i "Breed", były gotowe od lat, podczas gdy inne, w tym "On a Plain" i "Stay Away" jeszcze w połowie sesji nagraniowej miały spore braki. Po zakończeniu sesji Nirvana i Vig przystąpili do miksowania albumu, ale rezultaty uznano za niesatysfakcjonujące. Ostatecznego miksowania utworów dokonał producent albumów zespołu Slayer, Andy Wallace. Po wydaniu albumu członkowie zespołu nie byli zadowoleni, jak powiedział Grohl, z "gładkiego brzmienia Nevermind".
DGC Records pierwotnie zakładała sprzedaż Nevermind w nakładzie 250 000 egzemplarzy. Pierwszy singel z albumu, "Smells Like Teen Spirit", zyskał natychmiast popularność, po części dzięki intensywnemu nadawaniu towarzyszącego mu teledysku na antenie telewizji MTV. W trakcie europejskiego etapu trasy promującej album (1991) zespół zdał sobie sprawę z przeludnienia panującego na koncertach, ciągłej obecności ekip telewizyjnych na scenie oraz z faktu, że "Smells Like Teen Spirit" był emitowany niemal bez przerwy w radiu i muzycznej telewizji. W grudniu 1991 album sprzedawał się w nakładzie 400 000 egzemplarzy tygodniowo (na terenie USA). 11 stycznia 1992 osiągnął 1. pozycję na liście Billboard 200, zastępując na niej dzieło Michaela Jacksona, Dangerous. Album osiągnął również 1. miejsca na listach przebojów w kilku państwach na całym świecie. Pod koniec stycznia 1992 magazyn Billboard napisał: "Nirvana jest zespołem, który ma obecnie wszystko: szacunek krytyków, poważanie i zaufanie wytwórni, władzę w rozgłośniach radiowych oraz porządne alternatywne podstawy".
W lutym 1992 Cobain poślubił liderkę zespołu Hole, Courtney Love. W sierpniu tego samego roku na świat przyszło dziecko tej pary, Frances Bean Cobain. Z powodu zmęczenia Nirvana nie zdecydowała się na rozpoczęcie kolejnej trasy koncertowej po Stanach Zjednoczonych – zespół zagrał jedynie kilka kameralnych występów jesienią 1992. Kilka dni po narodzinach córki Cobaina Nirvana zagrała jeden ze swoich najsłynniejszych koncertów – na Reading Festival. Nawiązując do plotek na temat domniemanego słabego stanu zdrowia Cobaina i możliwości rozwiązania zespołu, wokalista dla żartu wjechał na scenę na wózku inwalidzkim, następnie wstał i razem z resztą zespołu wykonał porywający show. Grohl w wywiadzie dla radiowego programu Loveline w 2005 powiedział: "zespół był całkowicie przekonany, że występ będzie kompletną katastrofą. Mieliśmy w pamięci to wszystko, co stało się kilka tygodni wcześniej. Jednak zamiast katastrofy wyszedł nam jeden z najlepszych koncertów w karierze".
Niecałe dwa tygodnie później Nirvana wystąpiła na rozdaniu MTV Video Music Awards. W czasie prób do występu Cobain podał, że zespół ma zamiar zagrać niepublikowany wcześniej utwór – "Rape Me". Dyrektorzy MTV byli zaszokowani próbnym wykonaniem i, jak podaje Amy Finnerty, byli przekonani, że utwór opowiada o nich samych. Stacja nalegała, by zespół nie zagrał utworu, grożąc usunięciem występu grupy i jej teledysków z planu antenowego. Po długiej dyskusji zdecydowano, ze Nirvana zagra "Lithium", swój najnowszy singel. Tuż po rozpoczęciu koncertu, Cobain nagle zmienił rytm i zaśpiewał dwie pierwsze linijki "Rape Me", po czym przeszedł do "Lithium". Pod koniec utworu, sfrustrowany niedziałającym wzmacniaczem Novoselic wyrzucił do góry swoją gitarę, która spadając uderzyła go w głowę. Oszołomiony basista z trudem zszedł ze sceny. W czasie gdy Cobain niszczył pozostały sprzęt, Grohl podbiegł do mikrofonu i zaczął krzyczeć w kierunku widowni "Cześć Axl", co odnosiło się do siedzącego na widowni Axla Rose, wokalisty Guns N' Roses, z którym zespół i Courtney Love mieli incydent przed występem. W grudniu 1992 Nirvana wydała Incesticide, kolekcję utworów ze stron B singli i innych niewykorzystanych na poprzednich albumach studyjnych nagrań. Część z nich pojawiło się wcześniej w postaci bootlegów sprzedawanych na czarnym rynku. Incesticide zawierał też utwory umieszczone wcześniej na minialbumach i singlach zespołu , a także materiał skomponowany na potrzeby BBC oraz covery utworów grup The Vaselines i Devo.