Svou akademickou a vysokoškolskou kariéru zahájil na San Mateo Community College v kalifornském San Mateu poté, co narukoval do amerického námořnictva ve vietnamské válce a sloužil v nemocnici. Po návratu začal studovat medicínu, ale změnil obor a v roce 1972 získal bakalářský titul z biochemie a v roce 1975 doktorát z farmakologie na Kalifornské univerzitě v San Diegu. Po práci na univerzitě v Buffalu v New Yorku nastoupil v roce 1984 do Národního ústavu zdraví (National Institutes of Health).
Během svého působení v NIH se Venter naučil techniku rychlé identifikace velké části messengerových RNA přítomných v buňce a začal ji používat k rychlé identifikaci genů v lidském mozku. Sekvence, které použil, jsou známé jako EST. Venter se je v kontroverzním soudním procesu pokusil patentovat, ale spor prohrál.
Byl zakládajícím předsedou společnosti Celera Genomics a proslavil se tím, že v roce 1999 zahájil vlastní projekt lidského genomu, mimo veřejné konsorcium, pro komerční účely a s využitím brokového sekvenování. Celera použila k vytvoření sekvence lidského genomu DNA pěti různých osob; existuje podezření, že jednou z pěti teoreticky anonymních osob v projektu byl sám Venter. Počátkem roku 2002 Celera Ventera náhle propustila, když se ukázalo, že prodej dat o genomu nebude ziskový, zatímco on se snažil bránit strategické změně směřování společnosti.
Jedním z jeho úspěchů bylo první rozluštění kompletní sekvence živého organismu: bakterie Haemophilus influenzae.
V roce 1992 založil The Institute for Genomic Research (TIGR). V současné době je prezidentem Institutu J. Craiga Ventera, který byl vytvořen a založen společností TIGR. V červnu 2005 spoluzaložil firmu Synthetic Genomics, která se zabývá využitím geneticky modifikovaných mikroorganismů pro výrobu etanolu a vodíku jako alternativních paliv.
Venter se v roce 2005 věnoval několika článkům v časopisech Wired, The Economist a australském vědeckém časopise Cosmos.
V roce 2004 se vydal na plavbu kolem světa na své luxusní jachtě Sorcerer II, kterou považuje za aktualizaci velkých vědeckých cest 18. a 19. století na palubách lodí HMS Beagle a HMS Challenger. Během cesty zachytil DNA virů a bakterií na filtrační papír a poslal ji k sekvenování a analýze do své prefektury v Rockville ve státě Maryland. Doufáme, že objevíme desítky, ne-li stovky milionů nových genů, což je obrovské množství informací o biologické rozmanitosti Země. Mikroorganismy mohou být také klíčem k výrobě téměř nekonečného množství energie, vývoji účinných léčiv a čištění lidmi produkovaného znečištění. Cesta může být také užitečná při hledání odpovědí na otázky týkající se mikroevoluce a přežití druhů. Americká vláda tuto cestu dotuje prostřednictvím ministerstva energetiky.
V říjnu 2007 se Craigu Venterovi podařilo vytvořit umělý chromozom z chemických prvků, který je odrazovým můstkem k vytvoření první umělé formy života na Zemi.
V květnu 2009 obdržel v Madridu cenu XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award a přednesl přednášku Sequencing the Human Genome and the future of genomics. V červenci 2009 podepsal dohodu s ropnou společností Exxon Mobil o výrobě uhlovodíků z fotosyntetických řas. Jde o přeměnu CO2 z atmosféry na palivo. Venter poskytuje know-how, Exxon peníze: šest set milionů dolarů.
V roce 2015 obdržel prestižní Leeuwenhoekovu medaili za přínos v oblasti mikrobiologie.
Dne 20. května 2010 vyšel v časopise Science historický článek: Venterovi a jeho týmu se podařilo vytvořit bakteriální buňku se syntetickým neboli umělým genomem. Za tímto účelem vytvořili v laboratoři zcela umělý genom. Konkrétně vědci vytvořili celý genom bakterie Mycoplasma mycoides na stroji ve své laboratoři na základě kopie původní bakterie. Po vytvoření umělého genomu vyprázdnili buňku jiného bakteriálního druhu stejného rodu, Mycoplasma capricolum, a vnesli ji do této přijímající buňky. Od té doby hostitelská bakterie exprimovala pouze proteiny syntetické bakterie a její vlastnosti byly dány syntetickým genomem vyrobeným v laboratoři, což z ní činilo jiný druh. Někteří vědci sice vyzdvihují tento vědecký úspěch, ale nesouhlasí s tím, že můžeme mluvit o umělé formě života, protože bakterie, do níž byla syntetická DNA vložena, byla zcela přirozená.