Han började sin akademiska karriär vid San Mateo Community College i San Mateo, Kalifornien, efter att ha tagit värvning i den amerikanska flottan under Vietnamkriget och tjänstgjort på ett sjukhus. När han återvände började han studera till läkare, men bytte inriktning och fick en kandidatexamen i biokemi 1972 och en doktorsexamen i farmakologi 1975, båda från University of California, San Diego. Efter att ha arbetat vid University at Buffalo i New York började han arbeta vid National Institutes of Health 1984.
Under tiden vid NIH lärde sig Venter tekniken för att snabbt identifiera en stor del av de budbärar-RNA som finns i en cell och började använda den för att snabbt identifiera gener i den mänskliga hjärnan. De sekvenser som han använde är kända som ESTs. I en kontroversiell juridisk process försökte Venter patentera dem, men förlorade målet.
Han var grundande ordförande för Celera Genomics och gjorde sig ett namn genom att starta sitt eget humangenomprojekt 1999, utanför det offentliga konsortiet, för kommersiella syften och med hjälp av shotgun-sekvensering. Celera använde DNA från fem olika personer för att skapa sekvensen av det mänskliga genomet. Det finns misstankar om att en av de fem teoretiskt anonyma personerna i projektet var Venter själv. I början av 2002 sparkade Celera plötsligt Venter efter att det stod klart att det inte skulle bli lönsamt att sälja genomdata, samtidigt som han försökte motsätta sig en strategisk förändring av företagets inriktning.
En av hans prestationer var att för första gången tyda den fullständiga sekvensen av en levande organism: bakterien Haemophilus influenzae.
Han grundade The Institute for Genomic Research (TIGR) 1992. Han är för närvarande ordförande för J. Craig Venter Institute, som skapades och grundades av TIGR. I juni 2005 var han med och grundade Synthetic Genomics, ett företag som ägnar sig åt användningen av genetiskt modifierade mikroorganismer för produktion av etanol och väte som alternativa bränslen.
Venter har varit föremål för flera artiklar i Wired, The Economist och den australiensiska vetenskapstidningen Cosmos under 2005.
2004 påbörjade han en världsomsegling på sin lyxjakt Sorcerer II som han ser som en uppdatering av de stora vetenskapliga resorna på 1700- och 1800-talen ombord på HMS Beagle och HMS Challenger. Under resan fångade han DNA från virus och bakterier på filterpapper och skickade det för att sekvenseras och analyseras vid sitt prefektkontor i Rockville, Maryland. Förhoppningen är att upptäcka tiotals, om inte hundratals miljoner nya gener, en enorm mängd information om jordens biologiska mångfald. Mikroorganismer kan också vara nyckeln till att generera en nästan oändlig mängd energi, utveckla kraftfulla läkemedel och städa upp föroreningar som orsakas av människan. Resan kan också vara till hjälp för att besvara frågor om mikroevolution och arters överlevnad. Den amerikanska regeringen subventionerar resan genom energidepartementet.
I oktober 2007 lyckades Craig Venter skapa en artificiell kromosom av kemiska element, som en språngbräda för att skapa jordens första konstgjorda livsform.
I maj 2009 mottog han XLI Jiménez Díaz Memorial Lecture Award i Madrid och höll föreläsningen Sequencing the Human Genome and the future of genomics. I juli 2009 undertecknade han ett avtal med oljebolaget Exxon Mobil om att producera kolväten från fotosyntetiska alger. Tanken är att omvandla koldioxid från atmosfären till bränsle. Venter står för kunskapen och Exxon för pengarna: 600 miljoner dollar.
2015 fick han den prestigefyllda Leeuwenhoek-medaljen för sina bidrag till mikrobiologin.
Den 20 maj 2010 publicerade tidskriften Science en historisk artikel: Venter och hans team hade lyckats skapa en bakteriecell med ett syntetiskt eller artificiellt genom. För att göra detta skapade de ett helt artificiellt genom i ett laboratorium. Forskarna har tillverkat hela arvsmassan hos bakterien Mycoplasma mycoides i en maskin i sitt laboratorium utifrån en kopia av den ursprungliga bakterien. Efter att ha skapat det konstgjorda genomet tömde de en cell från en annan bakterieart av samma släkte, Mycoplasma capricolum, och förde in den i den mottagande cellen. Från och med då uttryckte värdbakterien endast proteiner från den syntetiserade bakterien och dess egenskaper var de som det syntetiska genomet, som tillverkats i laboratoriet, gav den, vilket gjorde den till en annan art. Vissa forskare framhåller visserligen den vetenskapliga prestationen, men håller inte med om att vi kan tala om en konstgjord livsform, eftersom den bakterie i vilken det syntetiska DNA:t sattes in var helt naturlig.