Hän aloitti akateemisen ja yliopistollisen uransa San Mateo Community Collegessa San Mateossa, Kaliforniassa, värväydyttyään Yhdysvaltain laivastoon Vietnamin sodassa ja palveltuaan sairaalassa. Palattuaan hän aloitti lääketieteen opinnot, mutta vaihtoi pääainetta ja suoritti biokemian kandidaatin tutkinnon vuonna 1972 ja farmakologian tohtorin tutkinnon vuonna 1975 Kalifornian yliopistossa San Diegossa. Työskenneltyään New Yorkin Buffalon yliopistossa hän siirtyi vuonna 1984 National Institutes of Healthiin.
NIH:ssä työskennellessään Venter oppi tekniikan, jolla voidaan nopeasti tunnistaa suuri osa solussa olevista lähetti-rna:ista, ja alkoi käyttää sitä ihmisen aivojen geenien nopeaan tunnistamiseen. Hänen käyttämänsä sekvenssit tunnetaan nimellä EST. Kiistanalaisessa oikeudellisessa prosessissa Venter yritti patentoida ne, mutta hävisi asian.
Hän oli Celera Genomicsin perustajajäsen ja teki itselleen nimeä käynnistämällä vuonna 1999 oman Human Genome Project -hankkeensa julkisen konsortion ulkopuolella kaupallisiin tarkoituksiin ja käyttämällä shotgun-sekvensointia. Celera käytti viideltä eri henkilöltä peräisin olevaa DNA:ta ihmisen perimän sekvenssin luomiseen; on epäilty, että yksi viidestä teoreettisesti nimettömästä henkilöstä projektissa oli Venter itse. Vuoden 2002 alussa Celera antoi Venterille yllättäen potkut sen jälkeen, kun oli käynyt selväksi, että genomitiedon myyminen ei olisi kannattavaa, ja hän yritti vastustaa yhtiön strategista suunnanmuutosta.
Yksi hänen saavutuksistaan oli elävän organismin, Haemophilus influenzae -bakteerin, täydellisen sekvenssin tulkitseminen ensimmäistä kertaa.
Hän perusti The Institute for Genomic Researchin (TIGR) vuonna 1992. Hän on tällä hetkellä TIGR:n perustaman J. Craig Venter -instituutin puheenjohtaja. Kesäkuussa 2005 hän oli mukana perustamassa Synthetic Genomics -yhtiötä, joka on omistautunut geneettisesti muunnettujen mikro-organismien käyttöön etanolin ja vedyn tuottamiseksi vaihtoehtoisina polttoaineina.
Venteristä on kirjoitettu useita artikkeleita Wiredissä, The Economistissa ja australialaisessa Cosmos-tiedelehdessä vuonna 2005.
Vuonna 2004 hän aloitti maailmanympäryspurjehduksen luksusjahti Sorcerer II:lla, jota hän pitää päivityksenä 1700- ja 1800-luvun suurille tieteellisille matkoille HMS Beaglella ja HMS Challengerilla. Matkan aikana hän keräsi virusten ja bakteerien DNA:ta suodatinpaperille ja lähetti sen sekvensoitavaksi ja analysoitavaksi Marylandin Rockvillessä sijaitsevaan prefektuuriinsa. Toiveena on löytää kymmeniä tai jopa satoja miljoonia uusia geenejä, mikä on valtava määrä tietoa maapallon biologisesta monimuotoisuudesta. Mikro-organismit voivat myös olla avain lähes loputtoman energiamäärän tuottamiseen, tehokkaiden lääkkeiden kehittämiseen ja ihmisen tuottaman saastumisen puhdistamiseen. Matkasta voi olla apua myös mikroevoluutiota ja lajien säilymistä koskeviin kysymyksiin vastaamisessa. Yhdysvaltain hallitus tukee matkaa energiaministeriön kautta.
Lokakuussa 2007 Craig Venter onnistui luomaan kemiallisista alkuaineista keinotekoisen kromosomin, joka oli ponnahduslauta maapallon ensimmäisen keinotekoisen elämänmuodon luomiseen.
Toukokuussa 2009 hän sai Madridissa XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award -palkinnon ja piti luennon Sequencing the Human Genome and the future of genomics. Heinäkuussa 2009 hän allekirjoitti öljy-yhtiö Exxon Mobilin kanssa sopimuksen hiilivetyjen tuottamisesta fotosynteettisistä levistä. Tarkoituksena on muuntaa ilmakehän hiilidioksidia polttoaineeksi. Venter tarjoaa tietotaidon, Exxon rahat: kuusisataa miljoonaa dollaria.
Vuonna 2015 hän sai arvostetun Leeuwenhoek-mitalin panoksestaan mikrobiologian alalla.
20.5.2010 Science-lehti julkaisi historiallisen artikkelin: Venter onnistui tiimeineen luomaan synteettisellä eli keinotekoisella genomilla varustetun bakteerisolun. Tätä varten he loivat laboratoriossa täysin keinotekoisen genomin. Tutkijat tekivät Mycoplasma mycoides -bakteerin koko genomin laboratoriossaan koneella, joka perustui alkuperäisen bakteerin kopioon. Kun he olivat valmistaneet keinotekoisen genomin, he tyhjensivät solun toisesta samaan sukuun kuuluvasta bakteerilajista, Mycoplasma capricolumista, ja siirsivät sen tähän vastaanottajasoluun. Siitä lähtien isäntäbakteeri ilmaisi vain syntetisoidun bakteerin proteiineja, ja sen ominaisuudet olivat laboratoriossa valmistetun synteettisen genomin antamat, mikä teki siitä eri lajin. Jotkut tutkijat korostavat tieteellistä saavutusta, mutta eivät ole samaa mieltä siitä, että voidaan puhua keinotekoisesta elämänmuodosta, koska bakteeri, johon synteettinen DNA lisättiin, oli täysin luonnollinen.