Ha iniziato la sua carriera accademica e universitaria al San Mateo Community College di San Mateo, California, dopo essersi arruolato nella marina americana nella guerra del Vietnam e aver prestato servizio in ospedale. Al suo ritorno, ha iniziato la scuola medica, ma ha cambiato specializzazione e ha ricevuto una laurea in biochimica nel 1972 e un dottorato in farmacologia nel 1975, entrambi presso l’Università della California, San Diego. Dopo aver lavorato all’Università di Buffalo a New York, è entrato nei National Institutes of Health nel 1984.
Mentre era al NIH, Venter ha imparato la tecnica per identificare rapidamente una grande porzione degli RNA messaggeri presenti in una cellula, e ha cominciato a usarla per identificare rapidamente i geni nel cervello umano. Le sequenze che ha usato sono note come EST. In un controverso processo legale, Venter ha cercato di brevettarli, ma ha perso la causa.
È stato il presidente fondatore di Celera Genomics, facendosi un nome iniziando il proprio Progetto Genoma Umano nel 1999, fuori dal consorzio pubblico, per scopi commerciali e utilizzando il sequenziamento shotgun. Celera ha usato il DNA di cinque individui diversi per generare la sequenza del genoma umano; ci sono sospetti che uno dei cinque individui teoricamente anonimi nel progetto fosse Venter stesso. All’inizio del 2002, Celera ha improvvisamente licenziato Venter, dopo che è diventato chiaro che la vendita dei dati del genoma non sarebbe stata redditizia, mentre lui ha fatto sforzi per opporsi a un cambiamento strategico nella direzione della società.
Una delle sue conquiste è stata la decifrazione della sequenza completa di un organismo vivente per la prima volta: il batterio Haemophilus influenzae.
Ha fondato The Institute for Genomic Research (TIGR) nel 1992. Attualmente è il presidente del J. Craig Venter Institute, che è stato creato e fondato da TIGR. Nel giugno 2005, ha co-fondato Synthetic Genomics, una società dedicata all’uso di microrganismi geneticamente modificati per la produzione di etanolo e idrogeno come carburanti alternativi.
Venter è stato oggetto di diversi articoli su Wired, The Economist e la rivista scientifica australiana Cosmos nel 2005.
Nel 2004 ha iniziato un giro del mondo a bordo del suo yacht di lusso Sorcerer II, che vede come un aggiornamento dei grandi viaggi scientifici del XVIII e XIX secolo a bordo della HMS Beagle e della HMS Challenger. Durante il viaggio ha catturato il DNA di virus e batteri su carta da filtro e lo ha inviato per essere sequenziato e analizzato nelle sue prefetture a Rockville, Maryland. La speranza è di scoprire decine, se non centinaia di milioni di nuovi geni, un’immensa quantità di informazioni sulla biodiversità della Terra. I microrganismi potrebbero anche avere la chiave per generare una quantità quasi infinita di energia, sviluppare potenti farmaci e pulire l’inquinamento prodotto dall’uomo. Il viaggio può anche essere utile per rispondere alle domande sulla microevoluzione e la sopravvivenza delle specie. Il governo degli Stati Uniti sta sovvenzionando il viaggio attraverso il Dipartimento dell’Energia.
Nell’ottobre 2007, Craig Venter è riuscito a creare un cromosoma artificiale da elementi chimici, come trampolino di lancio per creare la prima forma di vita artificiale della Terra.
Nel maggio 2009 ha ricevuto il premio XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture a Madrid e ha tenuto la conferenza Sequencing the Human Genome and the future of genomics. Nel luglio 2009 ha firmato un accordo con la compagnia petrolifera Exxon Mobil per produrre idrocarburi dalle alghe fotosintetiche. L’idea è quella di convertire la CO2 dell’atmosfera in carburante. Venter fornisce il know-how, Exxon i soldi: seicento milioni di dollari.
Nel 2015 ha ricevuto la prestigiosa Medaglia Leeuwenhoek per i suoi contributi al campo della microbiologia.
Il 20 maggio 2010 la rivista Science ha pubblicato un articolo storico: Venter e il suo team sono riusciti a creare una cellula batterica con un genoma sintetico o artificiale. Per farlo, hanno creato un genoma completamente artificiale in laboratorio. In particolare, i ricercatori hanno fatto l’intero genoma del batterio Mycoplasma mycoides in una macchina nel loro laboratorio basato su una copia del batterio originale. Dopo aver creato il genoma artificiale, hanno svuotato una cellula di un’altra specie batterica dello stesso genere, Mycoplasma capricolum, e l’hanno introdotta in questa cellula ricevente. Da quel momento in poi, il batterio ospite esprimeva solo le proteine del batterio sintetizzato e le sue caratteristiche erano quelle conferite dal genoma sintetico prodotto in laboratorio, rendendolo una specie diversa. Alcuni ricercatori, pur sottolineando il risultato scientifico, non sono d’accordo che si possa parlare di una forma di vita artificiale, poiché il batterio in cui è stato inserito il DNA sintetico era completamente naturale.