A kaliforniai San Mateóban, a San Mateo Community College-ban kezdte egyetemi és főiskolai pályafutását, miután a vietnami háborúban bevonult az amerikai haditengerészethez és kórházban szolgált. Visszatérése után orvosi egyetemet kezdett, de szakot váltott, és 1972-ben biokémiából szerzett diplomát, majd 1975-ben farmakológiából doktorált, mindkettőt a San Diegó-i Kaliforniai Egyetemen. Miután a New York-i Buffalo Egyetemen dolgozott, 1984-ben csatlakozott a Nemzeti Egészségügyi Intézethez.
Az NIH-nál Venter megtanulta a sejtben lévő hírvivő RNS-ek nagy részének gyors azonosítására szolgáló technikát, és elkezdte használni azt az emberi agyban lévő gének gyors azonosítására. Az általa használt szekvenciákat EST-ként ismerik. Egy ellentmondásos jogi eljárás során Venter megpróbálta szabadalmaztatni őket, de elvesztette az ügyet.
A Celera Genomics alapító elnöke volt, és azzal szerzett nevet magának, hogy 1999-ben elindította saját Humán Genom Projektjét, a nyilvános konzorciumon kívül, kereskedelmi céllal és shotgun szekvenálással. A Celera öt különböző személy DNS-ét használta fel az emberi genomszekvencia létrehozásához; felmerült a gyanú, hogy a projektben részt vevő öt elméletileg névtelen személy egyike maga Venter volt. 2002 elején a Celera hirtelen kirúgta Ventert, miután világossá vált, hogy a genomadatok értékesítése nem lesz nyereséges, miközben ő erőfeszítéseket tett a cég stratégiai irányváltása ellen.
Az egyik eredménye az volt, hogy először fejtette meg egy élő szervezet teljes szekvenciáját: a Haemophilus influenzae baktériumét.
1992-ben megalapította a The Institute for Genomic Research-t (TIGR). Jelenleg a TIGR által létrehozott és alapított J. Craig Venter Intézet elnöke. 2005 júniusában társalapítója volt a Synthetic Genomics nevű cégnek, amely a genetikailag módosított mikroorganizmusok etanol és hidrogén, mint alternatív üzemanyagok előállítására való felhasználásával foglalkozik.
Venterről több cikk is megjelent a Wired, a The Economist és a Cosmos című ausztrál tudományos magazinban 2005-ben.
2004-ben Sorcerer II nevű luxusjachtján világkörüli vitorlásútra indult, amelyet a 18. és 19. század nagy tudományos útjainak aktualizálásának tekint a HMS Beagle és a HMS Challenger fedélzetén. Az út során vírusok és baktériumok DNS-ét szűrőpapíron rögzítette, és elküldte szekvenálásra és elemzésre a marylandi Rockville-ben lévő prefektúrájára. A remény az, hogy több tíz-, ha nem százmillió új gént fedeznek fel, ami hatalmas mennyiségű információt jelent a Föld biológiai sokféleségéről. A mikroorganizmusok jelenthetik a kulcsot a szinte végtelen mennyiségű energia előállításához, erős gyógyszerek kifejlesztéséhez és az ember által okozott szennyezés megtisztításához is. Az utazás a mikroevolúcióval és a fajok túlélésével kapcsolatos kérdések megválaszolásában is hasznos lehet. Az amerikai kormány az Energiaügyi Minisztériumon keresztül támogatja az utazást.
2007 októberében Craig Venternek sikerült kémiai elemekből mesterséges kromoszómát létrehoznia, ami a Föld első mesterséges életformájának megteremtéséhez vezető ugródeszka.
2009 májusában Madridban megkapta a XLI Jiménez Díaz emlékelőadás díját, és előadást tartott Az emberi genom szekvenálása és a genomika jövője címmel. 2009 júliusában megállapodást írt alá az Exxon Mobil olajtársasággal szénhidrogének fotoszintetikus algákból történő előállításáról. Az ötlet lényege, hogy a légkörből származó CO2-t üzemanyaggá alakítsák át. Venter biztosítja a know-how-t, az Exxon a pénzt: hatszázmillió dollárt.
2015-ben megkapta a rangos Leeuwenhoek-érmet a mikrobiológiához való hozzájárulásáért.
2010. május 20-án a Science című folyóirat történelmi jelentőségű cikket közölt: Venternek és csapatának sikerült szintetikus vagy mesterséges genommal rendelkező baktériumsejtet létrehoznia. Ehhez egy teljesen mesterséges genomot hoztak létre egy laboratóriumban. Konkrétan a kutatók a Mycoplasma mycoides baktérium teljes genomját készítették el laboratóriumukban egy gépben az eredeti baktérium másolata alapján. Miután elkészítették a mesterséges genomot, kiürítettek egy másik, ugyanabba a nemzetségbe tartozó baktériumfaj, a Mycoplasma capricolum sejtjét, és bejuttatták ebbe a befogadó sejtbe. Ettől kezdve a gazdabaktérium csak a szintetizált baktérium fehérjéit fejezte ki, és a laboratóriumban előállított szintetikus genom által kölcsönzött jellemzőkkel rendelkezett, így más fajjá vált. Egyes kutatók, bár kiemelik a tudományos eredményt, nem értenek egyet azzal, hogy mesterséges életformáról beszélhetünk, mivel a baktérium, amelybe a szintetikus DNS-t beillesztették, teljesen természetes volt.