Il a commencé son parcours scolaire et universitaire au San Mateo Community College de San Mateo, en Californie, après s’être engagé dans la marine américaine pendant la guerre du Vietnam et avoir servi dans un hôpital. À son retour, il commence des études de médecine, mais change de spécialité et obtient une licence en biochimie en 1972 et un doctorat en pharmacologie en 1975, tous deux à l’université de Californie, à San Diego. Après avoir travaillé à l’université de Buffalo dans l’État de New York, il a rejoint les National Institutes of Health en 1984.
Alors qu’il était aux NIH, Venter a appris la technique permettant d’identifier rapidement une grande partie des ARN messagers présents dans une cellule, et a commencé à l’utiliser pour identifier rapidement les gènes du cerveau humain. Les séquences qu’il a utilisées sont connues sous le nom de ESTs. Dans un processus juridique controversé, Venter a tenté de les breveter, mais a perdu le procès.
Il a été le président fondateur de Celera Genomics, se faisant connaître en lançant son propre projet de génome humain en 1999, en dehors du consortium public, à des fins commerciales et en utilisant le séquençage shotgun. Celera a utilisé l’ADN de cinq individus différents pour générer la séquence du génome humain ; certains soupçonnent que l’un des cinq individus théoriquement anonymes du projet était Venter lui-même. Au début de 2002, Celera a soudainement licencié Venter, après qu’il soit devenu évident que la vente des données du génome ne serait pas rentable, alors qu’il s’efforçait de s’opposer à un changement stratégique dans la direction de l’entreprise.
L’une de ses réalisations a été de déchiffrer la séquence complète d’un organisme vivant pour la première fois : la bactérie Haemophilus influenzae.
Il a fondé The Institute for Genomic Research (TIGR) en 1992. Il est actuellement le président de l’Institut J. Craig Venter, qui a été créé et fondé par TIGR. En juin 2005, il a cofondé Synthetic Genomics, une entreprise dédiée à l’utilisation de micro-organismes génétiquement modifiés pour la production d’éthanol et d’hydrogène comme carburants alternatifs.
Venter a fait l’objet de plusieurs articles dans Wired, The Economist et le magazine scientifique australien Cosmos en 2005.
En 2004, il a entamé un tour du monde à la voile sur son yacht de luxe Sorcerer II qu’il considère comme une mise à jour des grands voyages scientifiques des 18e et 19e siècles à bord du HMS Beagle et du HMS Challenger. Au cours du voyage, il a capturé l’ADN de virus et de bactéries sur du papier filtre et l’a envoyé pour être séquencé et analysé dans ses préfectures à Rockville, dans le Maryland. L’espoir est de découvrir des dizaines, voire des centaines de millions de nouveaux gènes, soit une immense quantité d’informations sur la biodiversité de la Terre. Les micro-organismes pourraient également détenir la clé de la production d’une quantité presque infinie d’énergie, de la mise au point de puissants produits pharmaceutiques et de la dépollution de la production humaine. Le voyage peut également être utile pour répondre aux questions sur la microévolution et la survie des espèces. Le gouvernement américain subventionne le voyage par l’intermédiaire du ministère de l’énergie.
En octobre 2007, Craig Venter a réussi à créer un chromosome artificiel à partir d’éléments chimiques, comme un tremplin pour créer la première forme de vie artificielle de la Terre.
En mai 2009, il a reçu le prix de la conférence commémorative XLI Jiménez Díaz à Madrid et a donné la conférence Sequencing the Human Genome and the future of genomics. En juillet 2009, il a signé un accord avec la compagnie pétrolière Exxon Mobil pour produire des hydrocarbures à partir d’algues photosynthétiques. L’idée est de transformer le CO2 de l’atmosphère en carburant. Venter fournit le savoir-faire, Exxon l’argent : six cents millions de dollars.
En 2015, il reçoit la prestigieuse médaille Leeuwenhoek pour ses contributions au domaine de la microbiologie.
Le 20 mai 2010, la revue Science publie un article historique : Venter et son équipe ont réussi à créer une cellule bactérienne avec un génome synthétique ou artificiel. Pour ce faire, ils ont créé un génome totalement artificiel en laboratoire. Concrètement, les chercheurs ont fabriqué le génome entier de la bactérie Mycoplasma mycoides dans une machine de leur laboratoire à partir d’une copie de la bactérie originale. Après avoir fabriqué le génome artificiel, ils ont vidé une cellule d’une autre espèce bactérienne du même genre, Mycoplasma capricolum, et l’ont introduite dans cette cellule réceptrice. Dès lors, la bactérie hôte n’exprimait plus que les protéines de la bactérie synthétisée et ses caractéristiques étaient celles conférées par le génome synthétique fabriqué en laboratoire, ce qui en faisait une espèce différente. Certains chercheurs, tout en soulignant la réussite scientifique, ne sont pas d’accord pour que l’on puisse parler d’une forme de vie artificielle, puisque la bactérie dans laquelle l’ADN synthétique a été inséré était totalement naturelle.