Ele começou sua carreira acadêmica e universitária no San Mateo Community College em San Mateo, Califórnia, depois de se alistar na Marinha dos EUA na Guerra do Vietnã e servir em um hospital. Ao retornar, ele começou a faculdade de medicina, mas trocou de curso e recebeu um bacharelado em Bioquímica em 1972 e um doutorado em Farmacologia em 1975, ambos da Universidade da Califórnia, em San Diego. Depois de trabalhar na Universidade de Buffalo, em Nova York, ele entrou para os Institutos Nacionais de Saúde em 1984.
Apesar do NIH, Venter aprendeu a técnica para identificar rapidamente uma grande parte dos RNAs mensageiros presentes em uma célula, e começou a usá-la para identificar rapidamente os genes no cérebro humano. As sequências que ele usou são conhecidas como ESTs. Num controverso processo legal, Venter tentou patenteá-los, mas perdeu o caso.
Foi o presidente fundador da Celera Genomics, fazendo seu nome ao iniciar seu próprio Projeto Genoma Humano em 1999, fora do consórcio público, para fins comerciais e usando seqüenciamento de caçadeiras. Celera usou o DNA de cinco indivíduos diferentes para gerar a sequência do genoma humano; há suspeitas de que um dos cinco indivíduos teoricamente anônimos do projeto era o próprio Venter. No início de 2002, Celera demitiu repentinamente Venter, depois que ficou claro que vender os dados do genoma não seria rentável, enquanto ele se esforçava para se opor a uma mudança estratégica na direção da empresa.
Uma de suas realizações foi decifrar pela primeira vez a seqüência completa de um organismo vivo: a bactéria Haemophilus influenzae.
Fundou o Instituto de Pesquisa Genômica (TIGR) em 1992. Ele é atualmente o presidente do Instituto J. Craig Venter, que foi criado e fundado pelo TIGR. Em junho de 2005, ele co-fundou a Synthetic Genomics, uma empresa dedicada ao uso de microorganismos geneticamente modificados para a produção de etanol e hidrogênio como combustíveis alternativos.
Venter foi tema de vários artigos na Wired, The Economist e na revista científica australiana Cosmos em 2005.
Em 2004 ele começou uma vela à volta do mundo no seu luxuoso Iate Sorcerer II que ele vê como uma actualização das grandes viagens científicas dos séculos XVIII e XIX a bordo do HMS Beagle e do HMS Challenger. Na viagem ele capturou DNA de vírus e bactérias em papel filtro e o enviou para ser sequenciado e analisado em suas prefeituras em Rockville, Maryland. A esperança é descobrir dezenas, se não centenas de milhões de novos genes, uma imensa quantidade de informação sobre a biodiversidade da Terra. Os microorganismos também podem ter a chave para gerar uma quantidade quase infinita de energia, desenvolver medicamentos poderosos e limpar a poluição produzida pelo homem. A viagem também pode ser útil para responder a perguntas sobre microevolução e sobrevivência das espécies. O governo americano está subsidiando a viagem através do Departamento de Energia.
Em outubro de 2007, Craig Venter conseguiu criar um cromossoma artificial a partir de elementos químicos, como um trampolim para criar a primeira forma de vida artificial da Terra.
Em maio de 2009 ele recebeu o Prêmio XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award em Madri e deu a palestra Sequenciando o Genoma Humano e o futuro da genômica. Em Julho de 2009 assinou um acordo com a companhia petrolífera Exxon Mobil para produzir hidrocarbonetos a partir de algas fotossintéticas. A ideia é converter o CO2 da atmosfera em combustível. Venter fornece o know-how, Exxon o dinheiro: seiscentos milhões de dólares.
Em 2015 ele recebeu a prestigiosa Medalha Leeuwenhoek por suas contribuições no campo da microbiologia.
Em 20 de maio de 2010 a revista Science publicou um artigo histórico: Venter e sua equipe conseguiram criar uma célula bacteriana com um genoma sintético ou artificial. Para isso, eles criaram um genoma completamente artificial num laboratório. Especificamente, os pesquisadores fizeram todo o genoma da bactéria Mycoplasma mycoides em uma máquina em seu laboratório, com base em uma cópia da bactéria original. Depois de fazer o genoma artificial, eles esvaziaram uma célula de outra espécie bacteriana do mesmo gênero, Mycoplasma capricolum, e a introduziram nesta célula receptora. A partir daí, a bactéria hospedeira expressou apenas as proteínas da bactéria sintetizada e as suas características foram as conferidas pelo genoma sintético fabricado em laboratório, o que a torna uma espécie diferente. Alguns pesquisadores, embora destacando o feito científico, não concordam que se possa falar de uma forma de vida artificial, já que a bactéria na qual o DNA sintético foi inserido era completamente natural.