Värdarna förklarade på sin övernattning poäng på 244-5, ställa Notts ett segermål på 386 i 96 övers vid Oval.
Notts var 102-2 vid lunchen men kollapsade spektakulärt under eftermiddagen sessionen, förlora sina sista åtta wickets på 53 minuter för bara 38 körningar.
Surrey spinner Zafar Ansari, som tog bort Jake Libby och Riki Wessels med på varandra följande bollar, slutade med 6-36.
Ansaris förödande trollformel innebar att Brendan Taylors 68 från 79 leveranser var förgäves för Notts, som nu är nivå på punkter med Surrey i Division One.
Vinsten lyfte också Surrey från botten av bordet ovanför Hampshire.
Notts hade tittat i en bra position medan Taylor och öppnaren Jake Libby, som gjorde en patient 33 från 115 bollar, var på veck dela en tredje vekling monter på 90.
Men de snabba avgångarna av Libby och Wessels började processionen av Notts Wickets, med endast Dan Christian (11) nå dubbla siffror bland sina sista sju fladdermöss.
Surrey kapten Gareth Batty berättade för BBC Radio London: "Vi har missat viktiga ögonblick i spel ibland, och vi saknade dem inte i detta spel.
"Alla bidrog och det slutade med att vara en mycket bra seger mot ett mycket bra Notts lag.
"Traditionellt sett är vi ett bättre lag under andra halvan av säsongen än under första halvan. Förhoppningsvis går vi tillbaka till typ, spela bra cricket för resten av säsongen och få några fler vinster under bältet."
Surrey avslutade sin första mästerskapsvinst 2016, slå Nottinghamshire med 228 körningar.