Și-a început cariera academică și universitară la San Mateo Community College din San Mateo, California, după ce s-a înrolat în marina americană în războiul din Vietnam și a servit într-un spital. La întoarcere, a început facultatea de medicină, dar și-a schimbat specializarea și a obținut o diplomă de licență în biochimie în 1972 și un doctorat în farmacologie în 1975, ambele de la Universitatea din California, San Diego. După ce a lucrat la University at Buffalo din New York, s-a alăturat National Institutes of Health în 1984.
În timp ce lucra la NIH, Venter a învățat tehnica de identificare rapidă a unei mari părți din ARN-urile mesager prezente într-o celulă și a început să o folosească pentru a identifica rapid genele din creierul uman. Secvențele pe care le-a folosit sunt cunoscute sub numele de EST. Într-un proces juridic controversat, Venter a încercat să le breveteze, dar a pierdut procesul.
A fost președintele fondator al Celera Genomics, făcându-și un nume prin demararea propriului Proiect Genomul uman în 1999, în afara consorțiului public, în scopuri comerciale și folosind secvențierea shotgun. Celera a folosit ADN-ul a cinci persoane diferite pentru a genera secvența genomului uman; există suspiciuni că una dintre cele cinci persoane teoretic anonime din proiect a fost chiar Venter. La începutul anului 2002, Celera l-a concediat brusc pe Venter, după ce a devenit clar că vânzarea datelor privind genomul nu va fi profitabilă, în timp ce el a depus eforturi pentru a se opune unei schimbări strategice în direcția companiei.
Una dintre realizările sale a fost descifrarea pentru prima dată a secvenței complete a unui organism viu: bacteria Haemophilus influenzae.
A fondat The Institute for Genomic Research (TIGR) în 1992. În prezent, este președintele Institutului J. Craig Venter, care a fost creat și fondat de TIGR. În iunie 2005, a co-fondat Synthetic Genomics, o firmă dedicată utilizării microorganismelor modificate genetic pentru producția de etanol și hidrogen ca și combustibili alternativi.
Venter a fost subiectul mai multor articole în Wired, The Economist și în revista australiană de știință Cosmos în 2005.
În 2004 a început o călătorie în jurul lumii pe iahtul său de lux Sorcerer II, pe care o vede ca pe o actualizare a marilor călătorii științifice din secolele al XVIII-lea și al XIX-lea la bordul HMS Beagle și HMS Challenger. În timpul călătoriei, el a capturat ADN de la viruși și bacterii pe hârtie de filtru și l-a trimis pentru a fi secvențiat și analizat la prefectura sa din Rockville, Maryland. Speranța este de a descoperi zeci, dacă nu chiar sute de milioane de gene noi, o cantitate imensă de informații despre biodiversitatea Pământului. Microorganismele ar putea deține, de asemenea, cheia pentru a genera o cantitate aproape infinită de energie, pentru a dezvolta produse farmaceutice puternice și pentru a curăța poluarea produsă de om. De asemenea, această călătorie poate fi utilă pentru a răspunde la întrebări despre microevoluție și supraviețuirea speciilor. Guvernul SUA subvenționează călătoria prin intermediul Departamentului de Energie.
În octombrie 2007, Craig Venter a reușit să creeze un cromozom artificial din elemente chimice, ca o piatră de hotar pentru crearea primei forme de viață artificială de pe Pământ.
În mai 2009 a primit premiul XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award la Madrid și a ținut prelegerea Sequencing the Human Genome and the future of genomics. În iulie 2009 a semnat un acord cu compania petrolieră Exxon Mobil pentru a produce hidrocarburi din alge fotosintetice. Ideea este de a transforma CO2 din atmosferă în combustibil. Venter furnizează know-how-ul, Exxon banii: șase sute de milioane de dolari.
În 2015 a primit prestigioasa medalie Leeuwenhoek pentru contribuțiile sale în domeniul microbiologiei.
La 20 mai 2010, revista Science a publicat un articol istoric: Venter și echipa sa au reușit să creeze o celulă bacteriană cu un genom sintetic sau artificial. Pentru a face acest lucru, ei au creat în laborator un genom complet artificial. Mai exact, cercetătorii au realizat întregul genom al bacteriei Mycoplasma mycoides într-o mașină din laboratorul lor, pe baza unei copii a bacteriei originale. După ce au realizat genomul artificial, au golit o celulă de la o altă specie bacteriană din același gen, Mycoplasma capricolum, și au introdus-o în această celulă primitoare. Din acel moment, bacteria gazdă a exprimat doar proteinele bacteriei sintetizate, iar caracteristicile sale au fost cele conferite de genomul sintetic fabricat în laborator, ceea ce a făcut din ea o specie diferită. Unii cercetători, deși subliniază reușita științifică, nu sunt de acord că putem vorbi de o formă de viață artificială, deoarece bacteria în care a fost inserat ADN-ul sintetic era complet naturală.