Siguiendo recomendaciones de Kim Gordon, integrante de Sonic Youth, David Geffen contrató a Nirvana para DGC Records en 1990 a un costo de 287.000 dólares (y 75.000 dólares a Sub Pop, más un dos por ciento de los beneficios de los discos). La banda empezó a grabar su primer álbum con una gran compañía discográfica. El resultado, Nevermind, es ahora considerado un clásico.

Para el álbum, la banda decidió continuar trabajando con Vig, pero en vez de seguir grabando en el estudio propiedad de Vig en Madison, Wisconsin, como en 1990, decidieron ir a los estudios "Sound City" en Los Ángeles. Durante dos meses, trabajaron en gran variedad de canciones. Algunas de ellas, incluyendo "In Bloom" y "Breed" llevaban ya tiempo en su repertorio, mientras que canciones como "On a Plain" y "Stay Away" no estaban todavía terminadas, y hubo que escribir sus letras en medio del proceso de grabación.

Después que se completaran las sesiones de grabación, Vig y la banda aguardaron el resultado de las mezclas. No quedaron sin embargo satisfechos con los primeros resultados, por lo que decidieron buscar a alguien para que mejorara las mezclas. Pidieron a Gary Gersh, de Geffen, que les diera una lista de posibles seleccionados. La lista contenía varios nombres familiares, como Scott Litt (conocido por trabajar con R.E.M.) y Ed Stasium (conocido por su trabajo con The Smithereens). Sin embargo, Cobain temía que trabajar con productores conocidos hiciese que el álbum sonara como la música de esas bandas. Decidió escoger al último nombre de la lista, junto al nombre 'Slayer': Andy Wallace. (Wallace co-produjo el álbum de Slayer Seasons in the Abyss).

Wallace llevó el álbum a una altura completamente diferente, añadiendo capas de reverberación y "trucos" de estudio para que no fuera tan "oscuro". Pocos meses después del lanzamiento del álbum, Cobain se quejó en la prensa, alegando que Wallace había hecho el sonido de Nevermind demasiado "ligero", olvidando que la banda había escogido a Wallace y que había participado en el proceso de grabación y mezcla . Aunque la banda estuviera decepcionada con el sonido del álbum, Wallace había hecho "desaparecer" con éxito sus raíces indie y creado un rock "amigable" a listas y radios que otros intentarían imitar durante la siguiente década.

Inicialmente, la expectativa de ventas para Nevermind no superaba las 500.000 copias. Sin embargo, el álbum recibió certificación de triple platino en los Estados Unidos en menos de seis meses. "Smells Like Teen Spirit" recibió alta rotación en MTV y llegó al lugar número 6 en el Top 100 de la revista Billboard, inspirando a un puñado de imitadores y llevando al sonido grunge y alternativo a los listados. La popularidad del rock alternativo, así como el fin de la era del hair metal, son atribuidos a Nevermind. El 11 de enero de 1992, con 12 millones de copias vendidas, el álbum alcanzó la cima del listado de álbumes de Billboard, quitando del primer lugar a Dangerous de Michael Jackson, un hecho considerado símbolo de la subida de la música alternativa sobre el pop. Además, la llegada de Nevermind ayudó a la entrada en las listas de varios álbumes de grunge como "Ten" de Pearl Jam y "Badmotorfinger" de Soundgarden[9] . Alegando cansancio (en buena parte por algunos problemas de voz que Cobain sufrió), y después de un corto tour junto a Pearl Jam y Red Hot Chili Peppers por la costa este estadounidense, y de uno por Australia y Japón, la banda decidió no embarcarse en una gira en la primavera de 1992 por Estados Unidos para promocionar Nevermind (pese a hacer presentaciones promocionales en el popular programa Saturday Night Live y en MTV), optando por hacer varias actuaciones posteriormente ese mismo año.

En febrero del 92, al finalizar el tour por el Pacífico, Cobain se casó con Courtney Love en Hawaii. En agosto, Love dio luz a una hija, Frances Bean. Días después del nacimiento, Nirvana tocó uno de sus conciertos más conocidos, como uno de los actos centrales del Festival de Reading en Inglaterra. Cobain entró al escenario en una silla de ruedas y con una peluca, parodiando los rumores sobre su estado mental, luego se paró y se unió a Novoselic y Grohl, tocando uno de los conciertos más variados de la banda, añadiendo a la lista canciones que aún no habían sido lanzadas y versiones de 'The Money Will Roll Right In' de Fang, 'D-7' de The Wipers, Novoselic cantó a manera de introducción de Smells Like Teen Spirit, "More than a Feeling" de Boston (que se asemeja al riff de 'Teen Spirit') y también tocaron una versión estilo Jimi Hendrix de The Star-Spangled Banner. En medio del concierto, Cobain relató al público sobre el reciente nacimiento de su hija, y logró que la gente gritara "¡Te amamos, Courtney!" al unísono. Grohl confesó, en 2005 en el programa radial Loveline, que la banda creía que el concierto sería un completo desastre, por todo lo que había pasado en los meses anteriores y que no habían ensayado desde junio. Sin embargo, el directo terminó siendo uno de los más memorables de sus carreras.

Un par de semanas más tarde, Nirvana hizo otra presentación memorable en los MTV Video Music Awards de 1992. Cobain creyó que con el éxito, la cadena musical le permitiría tocar su nueva canción, "Rape Me". Los ejecutivos de MTV, que preferían el éxito "Smells Like Teen Spirit", estaban aterrorizados, pensando que era una canción en contra de ellos (debido a que "Rape" no sólo significa "violar" en inglés, también significa "esclavizar"), y dejaron que la banda tocara su sencillo "Lithium". Al comienzo de la actuación, Cobain tocó y cantó las primeras notas de "Rape Me", lo cual le dio un buen susto a MTV, que terminó cuando la banda comenzó a tocar "Lithium". Cuando entraban a la parte final de la canción, Novoselic estaba frustrado porque el amplificador de su bajo dejó de funcionar y, para dar un "aire dramático", lo lanzó al aire. Para su infortunio, el bajo cayó en su frente y lo dejó dolorido. Cuando terminó la canción y mientras Cobain estaba haciendo la "clásica" destrucción de intrumentos que se hacía al final de casi cada presentación, Grohl se acercó al micrófono y empezó a gritar "¡Hi, Axl!", refiriéndose al vocalista de Guns N' Roses Axl Rose, con el cual la banda y Courtney habían tenido un altercado previo a la presentación de la banda [13] .

En diciembre de ese mismo año lanzan Incesticide, una colección de lados b y rarezas. Varias de las sesiones radiales de la banda en la BBC y material temprano no lanzado empezó a circular por medio de los círculos ilegales de venta de música. Entonces el álbum sirvió para frenar a los involucrados en el negocio, que incluía a seguidores que grababan conciertos sin autorización. El álbum contuvo canciones favoritas de seguidores como "Sliver", "Dive", "Been a Son" y "Aneurysm", así como algunas versiones de canciones de The Vaselines, una banda que resultó popular como resultado de las versiones que hizo Nirvana.