Hij begon zijn academische en universitaire loopbaan aan het San Mateo Community College in San Mateo, Californië, nadat hij in de Vietnamoorlog in dienst was getreden van de Amerikaanse marine en in een ziekenhuis had gediend. Na zijn terugkeer begon hij medicijnen te studeren, maar hij veranderde van studierichting en behaalde een B.S. in Biochemie in 1972 en een Ph.D. in Farmacologie in 1975, beide aan de University of California, San Diego. Nadat hij aan de Universiteit van Buffalo in New York had gewerkt, kwam hij in 1984 bij de National Institutes of Health.
Terwijl hij bij de NIH werkte, leerde Venter de techniek om snel een groot deel van de boodschapper-RNA’s die in een cel aanwezig zijn te identificeren, en begon hij deze techniek te gebruiken om snel genen in de menselijke hersenen te identificeren. De sequenties die hij gebruikte, staan bekend als EST’s. In een controversieel juridisch proces probeerde Venter ze te patenteren, maar verloor de zaak.
Hij was de stichtende voorzitter van Celera Genomics en maakte naam door in 1999 zijn eigen Human Genome Project te starten, buiten het openbare consortium om, voor commerciële doeleinden en met gebruikmaking van shotgun sequencing. Celera gebruikte het DNA van vijf verschillende personen om de sequentie van het menselijk genoom te genereren; er zijn vermoedens dat één van de vijf theoretisch anonieme personen in het project Venter zelf was. Begin 2002 ontsloeg Celera Venter plotseling, nadat duidelijk was geworden dat de verkoop van de genoomgegevens niet winstgevend zou zijn, terwijl hij zich inspande tegen een strategische koerswijziging van het bedrijf.
Een van zijn prestaties was het voor het eerst ontcijferen van de volledige sequentie van een levend organisme: de bacterie Haemophilus influenzae.
Hij richtte in 1992 The Institute for Genomic Research (TIGR) op. Hij is momenteel voorzitter van het J. Craig Venter Institute, dat door TIGR is opgericht en in het leven geroepen. In juni 2005 was hij medeoprichter van Synthetic Genomics, een bedrijf dat zich toelegt op het gebruik van genetisch gemodificeerde micro-organismen voor de productie van ethanol en waterstof als alternatieve brandstoffen.
Venter is het onderwerp geweest van verschillende artikelen in Wired, The Economist en het Australische wetenschapsblad Cosmos in 2005.
In 2004 begon hij aan een zeilreis rond de wereld op zijn luxejacht Sorcerer II, dat hij ziet als een update van de grote wetenschappelijke reizen uit de 18e en 19e eeuw aan boord van HMS Beagle en HMS Challenger. Tijdens de reis ving hij DNA van virussen en bacteriën op filtreerpapier en stuurde het op om in zijn prefectuur in Rockville, Maryland, te worden gesequeneerd en geanalyseerd. De hoop is om tientallen, zo niet honderden miljoenen nieuwe genen te ontdekken, een immense hoeveelheid informatie over de biodiversiteit op aarde. Micro-organismen kunnen ook de sleutel zijn tot het opwekken van een bijna oneindige hoeveelheid energie, het ontwikkelen van krachtige geneesmiddelen en het opruimen van door de mens veroorzaakte verontreiniging. De reis kan ook nuttig zijn bij het beantwoorden van vragen over micro-evolutie en het voortbestaan van soorten. De Amerikaanse regering subsidieert de reis via het Department of Energy.
In oktober 2007 slaagde Craig Venter erin een kunstmatig chromosoom te maken uit chemische elementen, als opstapje naar de creatie van de eerste kunstmatige levensvorm op aarde.
In mei 2009 ontving hij de XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award in Madrid en hield hij de lezing Sequencing the Human Genome and the future of genomics. In juli 2009 ondertekende hij een overeenkomst met de oliemaatschappij Exxon Mobil voor de productie van koolwaterstoffen uit fotosynthetische algen. Het idee is om CO2 uit de atmosfeer om te zetten in brandstof. Venter levert de knowhow, Exxon het geld: zeshonderd miljoen dollar.
In 2015 ontving hij de prestigieuze Leeuwenhoek-medaille voor zijn bijdragen aan het veld van de microbiologie.
Op 20 mei 2010 publiceerde het tijdschrift Science een historisch artikel: Venter en zijn team slaagden erin een bacteriecel met een synthetisch of kunstmatig genoom te creëren. Daartoe hebben zij in een laboratorium een volledig kunstmatig genoom gecreëerd. Concreet maakten de onderzoekers het volledige genoom van de bacterie Mycoplasma mycoides in een machine in hun laboratorium op basis van een kopie van de oorspronkelijke bacterie. Nadat zij het kunstmatige genoom hadden gemaakt, maakten zij een cel leeg van een andere bacteriesoort van hetzelfde geslacht, Mycoplasma capricolum, en brachten deze in in deze ontvangende cel. Vanaf dat moment bracht de gastheerbacterie alleen nog de eiwitten van de gesynthetiseerde bacterie tot expressie en had zij de eigenschappen die haar door het in het laboratorium vervaardigde synthetische genoom waren verleend, waardoor zij een andere soort werd. Sommige onderzoekers benadrukken weliswaar de wetenschappelijke prestatie, maar zijn het er niet mee eens dat we kunnen spreken van een kunstmatige levensvorm, aangezien de bacterie waarin het synthetische DNA werd ingebracht volledig natuurlijk was.