Zaczął swoją karierę akademicką i uniwersytecką w San Mateo Community College w San Mateo w Kalifornii, po zaciągnięciu się do Marynarki Wojennej USA w wojnie wietnamskiej i służbie w szpitalu. Po powrocie rozpoczął studia medyczne, ale zmienił kierunek i uzyskał tytuł B.S. z biochemii w 1972 r. oraz Ph.D. z farmakologii w 1975 r., oba na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Po pracy na Uniwersytecie w Buffalo w Nowym Jorku, dołączył do National Institutes of Health w 1984 roku.
Podczas pracy w NIH, Venter poznał technikę szybkiej identyfikacji dużej części messenger RNA obecnego w komórce i zaczął jej używać do szybkiej identyfikacji genów w ludzkim mózgu. Użyte przez niego sekwencje znane są jako ESTs. W kontrowersyjnym procesie prawnym Venter próbował je opatentować, ale przegrał sprawę.
Był prezesem-założycielem Celera Genomics, wyrobił sobie nazwisko rozpoczynając w 1999 r. własny Human Genome Project, poza publicznym konsorcjum, w celach komercyjnych i przy użyciu sekwencjonowania typu shotgun. Celera wykorzystała DNA pięciu różnych osób do wygenerowania sekwencji ludzkiego genomu; istnieją podejrzenia, że jedną z pięciu teoretycznie anonimowych osób biorących udział w projekcie był sam Venter. Na początku 2002 roku firma Celera nagle zwolniła Ventera, po tym jak stało się jasne, że sprzedaż danych genomu nie będzie opłacalna, podczas gdy on sam podjął wysiłki, aby sprzeciwić się strategicznej zmianie kierunku firmy.
Jednym z jego osiągnięć było rozszyfrowanie po raz pierwszy kompletnej sekwencji żywego organizmu: bakterii Haemophilus influenzae.
Założył The Institute for Genomic Research (TIGR) w 1992 roku. Obecnie jest prezesem Instytutu J. Craiga Ventera, który został stworzony i założony przez TIGR. W czerwcu 2005 roku był współzałożycielem Synthetic Genomics, firmy zajmującej się wykorzystaniem genetycznie modyfikowanych mikroorganizmów do produkcji etanolu i wodoru jako paliw alternatywnych.
Venter był przedmiotem kilku artykułów w Wired, The Economist i australijskim magazynie naukowym Cosmos w 2005 roku.
W 2004 roku rozpoczął rejs dookoła świata na swoim luksusowym jachcie Sorcerer II, który postrzega jako aktualizację wielkich podróży naukowych z 18 i 19 wieku na pokładzie HMS Beagle i HMS Challenger. Podczas podróży przechwytywał DNA z wirusów i bakterii na bibule filtracyjnej i wysyłał je do sekwencjonowania i analizy w swoich prefekturach w Rockville w stanie Maryland. Nadzieją jest odkrycie dziesiątek, jeśli nie setek milionów nowych genów, ogromnej ilości informacji o różnorodności biologicznej Ziemi. Mikroorganizmy mogą również stanowić klucz do generowania niemal nieskończonej ilości energii, tworzenia silnych farmaceutyków i oczyszczania produkowanych przez człowieka zanieczyszczeń. Podróż ta może być również pomocna w odpowiedzi na pytania dotyczące mikroewolucji i przetrwania gatunków. Rząd USA subsydiuje tę podróż za pośrednictwem Departamentu Energii.
W październiku 2007 roku Craigowi Venterowi udało się stworzyć sztuczny chromosom z pierwiastków chemicznych, co jest krokiem do stworzenia pierwszej na Ziemi sztucznej formy życia.
W maju 2009 roku otrzymał XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award w Madrycie i wygłosił wykład Sequencing the Human Genome and the future of genomics. W lipcu 2009 r. podpisał umowę z koncernem naftowym Exxon Mobil na produkcję węglowodorów z fotosyntetyzujących alg. Chodzi o to, aby CO2 z atmosfery przekształcić w paliwo. Venter dostarcza know-how, Exxon pieniądze: sześćset milionów dolarów.
W 2015 roku otrzymał prestiżowy Medal Leeuwenhoeka za wkład w dziedzinę mikrobiologii.
20 maja 2010 roku w czasopiśmie Science ukazał się historyczny artykuł: Venterowi i jego zespołowi udało się stworzyć komórkę bakteryjną z syntetycznym lub sztucznym genomem. Aby tego dokonać, stworzyli w laboratorium całkowicie sztuczny genom. Konkretnie, naukowcy stworzyli cały genom bakterii Mycoplasma mycoides w maszynie w swoim laboratorium na podstawie kopii oryginalnej bakterii. Po stworzeniu sztucznego genomu, opróżnili komórkę innego gatunku bakterii z tego samego rodzaju, Mycoplasma capricolum, i wprowadzili ją do komórki biorcy. Od tego momentu bakteria gospodarza wyrażała tylko białka zsyntetyzowanej bakterii, a jej cechy charakterystyczne były takie, jakie nadał jej syntetyczny genom wytworzony w laboratorium, co czyniło z niej inny gatunek. Niektórzy badacze, podkreślając osiągnięcie naukowe, nie zgadzają się, że możemy mówić o sztucznej formie życia, gdyż bakteria, do której wprowadzono syntetyczne DNA, była całkowicie naturalna.