Er begann seine akademische und Hochschulkarriere am San Mateo Community College in San Mateo, Kalifornien, nachdem er im Vietnamkrieg zur US-Marine gegangen war und in einem Krankenhaus gedient hatte. Nach seiner Rückkehr begann er ein Medizinstudium, wechselte aber das Studienfach und erwarb 1972 einen Bachelor in Biochemie und 1975 einen Doktortitel in Pharmakologie, beides an der University of California, San Diego. Nachdem er an der University at Buffalo in New York gearbeitet hatte, kam er 1984 zu den National Institutes of Health (NIH).
Während seiner Zeit am NIH erlernte Venter die Technik zur schnellen Identifizierung eines großen Teils der in einer Zelle vorhandenen Boten-RNAs und begann, sie zur schnellen Identifizierung von Genen im menschlichen Gehirn einzusetzen. Die von ihm verwendeten Sequenzen sind als ESTs bekannt. In einem umstrittenen Gerichtsverfahren versuchte Venter, sie zu patentieren, verlor aber den Prozess.
Er war der Gründungsvorsitzende von Celera Genomics und machte sich einen Namen, indem er 1999 sein eigenes Humangenomprojekt außerhalb des öffentlichen Konsortiums zu kommerziellen Zwecken und unter Verwendung der Shotgun-Sequenzierung startete. Celera verwendete die DNA von fünf verschiedenen Personen, um die menschliche Genomsequenz zu erstellen; es besteht der Verdacht, dass eine der fünf theoretisch anonymen Personen in dem Projekt Venter selbst war. Anfang 2002 feuerte Celera Venter plötzlich, nachdem klar wurde, dass der Verkauf der Genomdaten nicht profitabel sein würde, während er sich gegen eine strategische Änderung der Unternehmensausrichtung einsetzte.
Eine seiner Leistungen war die Entschlüsselung der vollständigen Sequenz eines lebenden Organismus, des Bakteriums Haemophilus influenzae.
1992 gründete er das Institute for Genomic Research (TIGR). Derzeit ist er Präsident des J. Craig Venter Institute, das vom TIGR ins Leben gerufen und gegründet wurde. Im Juni 2005 war er Mitbegründer von Synthetic Genomics, einem Unternehmen, das sich mit der Verwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen für die Herstellung von Ethanol und Wasserstoff als alternative Kraftstoffe befasst.
Venter war 2005 Gegenstand mehrerer Artikel in Wired, The Economist und dem australischen Wissenschaftsmagazin Cosmos.
Im Jahr 2004 begann er eine Weltumsegelung auf seiner Luxusyacht Sorcerer II, die er als Aktualisierung der großen wissenschaftlichen Reisen des 18. und 19. Jahrhunderts an Bord der HMS Beagle und der HMS Challenger sieht. Auf der Reise fing er DNA von Viren und Bakterien auf Filterpapier ein und schickte sie zur Sequenzierung und Analyse an seine Präfektur in Rockville, Maryland. Die Hoffnung besteht darin, Dutzende, wenn nicht Hunderte Millionen neuer Gene zu entdecken, eine immense Menge an Informationen über die biologische Vielfalt der Erde. Mikroorganismen könnten auch der Schlüssel zur Erzeugung einer nahezu unendlichen Menge an Energie, zur Entwicklung wirksamer Arzneimittel und zur Beseitigung der vom Menschen verursachten Umweltverschmutzung sein. Die Reise kann auch bei der Beantwortung von Fragen zur Mikroevolution und zum Überleben der Arten hilfreich sein. Die US-Regierung subventioniert die Reise über das Energieministerium.
Im Oktober 2007 gelang es Craig Venter, ein künstliches Chromosom aus chemischen Elementen zu erzeugen, als Sprungbrett zur Schaffung der ersten künstlichen Lebensform auf der Erde.
Im Mai 2009 erhielt er den XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award in Madrid und hielt den Vortrag Sequencing the Human Genome and the future of genomics. Im Juli 2009 unterzeichnete er eine Vereinbarung mit dem Ölkonzern Exxon Mobil über die Produktion von Kohlenwasserstoffen aus photosynthetischen Algen. Die Idee ist, CO2 aus der Atmosphäre in Kraftstoff umzuwandeln. Venter liefert das Know-how, Exxon das Geld: sechshundert Millionen Dollar.
Im Jahr 2015 erhielt er die renommierte Leeuwenhoek-Medaille für seine Beiträge zur Mikrobiologie.
Am 20. Mai 2010 veröffentlichte die Zeitschrift Science einen historischen Artikel: Venter und seinem Team war es gelungen, eine Bakterienzelle mit einem synthetischen oder künstlichen Genom zu schaffen. Zu diesem Zweck haben sie im Labor ein vollständig künstliches Genom geschaffen. Konkret haben die Forscher das gesamte Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides in einer Maschine in ihrem Labor auf der Grundlage einer Kopie des ursprünglichen Bakteriums hergestellt. Nachdem sie das künstliche Genom hergestellt hatten, entleerten sie eine Zelle einer anderen Bakterienart derselben Gattung, Mycoplasma capricolum, und führten sie in diese Empfängerzelle ein. Von da an exprimierte das Wirtsbakterium nur noch die Proteine des synthetisierten Bakteriums, und seine Eigenschaften entsprachen denen des im Labor hergestellten synthetischen Genoms, so dass es sich um eine andere Art handelte. Einige Forscher heben zwar die wissenschaftliche Leistung hervor, sind aber nicht der Meinung, dass man von einer künstlichen Lebensform sprechen kann, da die Bakterien, in die die synthetische DNA eingefügt wurde, völlig natürlich waren.