Han begyndte sin akademiske karriere på San Mateo Community College i San Mateo, Californien, efter at han havde meldt sig til den amerikanske flåde under Vietnamkrigen og havde tjent på et hospital. Efter sin hjemkomst begyndte han at læse medicin, men skiftede studieretning og fik en B.S. i biokemi i 1972 og en Ph.D. i farmakologi i 1975, begge fra University of California, San Diego. Efter at have arbejdet på University at Buffalo i New York blev han ansat ved National Institutes of Health i 1984.
Mens han arbejdede ved NIH, lærte Venter teknikken til hurtigt at identificere en stor del af de messenger RNA’er, der findes i en celle, og begyndte at bruge den til hurtigt at identificere gener i den menneskelige hjerne. De sekvenser, han brugte, er kendt som EST’er. I en kontroversiel juridisk proces forsøgte Venter at få patent på dem, men tabte sagen.
Han var den stiftende formand for Celera Genomics og gjorde sig bemærket ved at starte sit eget Human Genome Project i 1999 uden for det offentlige konsortium, til kommercielle formål og ved hjælp af shotgun-sekventering. Celera brugte DNA fra fem forskellige personer til at generere sekvensen af det menneskelige genom; der er mistanke om, at en af de fem teoretisk anonyme personer i projektet var Venter selv. I begyndelsen af 2002 fyrede Celera pludselig Venter, efter at det stod klart, at det ikke ville være rentabelt at sælge genomdataene, mens han forsøgte at modsætte sig en strategisk ændring i virksomhedens retning.
En af hans bedrifter var at afkode den komplette sekvens af en levende organisme for første gang: bakterien Haemophilus influenzae.
Han grundlagde The Institute for Genomic Research (TIGR) i 1992. Han er i øjeblikket formand for J. Craig Venter Institute, som blev oprettet og grundlagt af TIGR. I juni 2005 var han medstifter af Synthetic Genomics, et firma, der beskæftiger sig med brugen af genetisk modificerede mikroorganismer til produktion af ethanol og brint som alternative brændstoffer.
Venter har været genstand for adskillige artikler i Wired, The Economist og det australske videnskabsmagasin Cosmos i 2005.
I 2004 påbegyndte han en jordomsejling på sin luksusyacht Sorcerer II, som han ser som en opdatering af de store videnskabelige rejser i det 18. og 19. århundrede om bord på HMS Beagle og HMS Challenger. På rejsen opsamlede han DNA fra virus og bakterier på filterpapir og sendte det til sekventering og analyse på sit præfektur i Rockville, Maryland. Håbet er at opdage titusindvis, hvis ikke hundredvis af millioner af nye gener, en enorm mængde information om Jordens biodiversitet. Mikroorganismer kan også være nøglen til at generere en næsten uendelig mængde energi, udvikle effektive lægemidler og rydde op i den forurening, som mennesket producerer. Rejsen kan også være nyttig til at besvare spørgsmål om mikroevolution og arternes overlevelse. Den amerikanske regering støtter rejsen gennem energiministeriet.
I oktober 2007 lykkedes det Craig Venter at skabe et kunstigt kromosom af kemiske elementer som et springbræt til at skabe Jordens første kunstige livsform.
I maj 2009 modtog han XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award i Madrid og holdt foredraget Sequencing the Human Genome and the future of genomics (Sequencing the Human Genome and the future of genomics). I juli 2009 underskrev han en aftale med olieselskabet Exxon Mobil om at producere kulbrinter fra fotosyntetiske alger. Ideen er at omdanne CO2 fra atmosfæren til brændstof. Venter leverer knowhow, Exxon leverer pengene: 600 millioner dollars.
I 2015 modtog han den prestigefyldte Leeuwenhoek-medalje for sine bidrag til mikrobiologien.
Den 20. maj 2010 offentliggjorde tidsskriftet Science en historisk artikel: Venter og hans team var lykkedes med at skabe en bakteriecelle med et syntetisk eller kunstigt genom. For at gøre det skabte de et helt kunstigt genom i et laboratorium. Konkret har forskerne fremstillet hele genomet af bakterien Mycoplasma mycoides i en maskine i deres laboratorium baseret på en kopi af den originale bakterie. Efter at have lavet det kunstige genom tømte de en celle fra en anden bakterieart af samme slægt, Mycoplasma capricolum, og indførte den i denne modtagercelle. Fra da af udtrykte værtsbakterien kun proteinerne fra den syntetiserede bakterie, og dens egenskaber var dem, som det syntetiske genom, der var fremstillet i laboratoriet, havde givet den, hvilket gjorde den til en anden art. Nogle forskere fremhæver den videnskabelige præstation, men er ikke enige i, at vi kan tale om en kunstig livsform, da den bakterie, som det syntetiske DNA blev indsat i, var helt naturlig.