Au sein des NIH, il travaille d'abord sur les récepteurs des neurotransmetteurs. Il cherche en particulier à isoler leurs gènes et les séquencer. Il devient ce faisant un des pionniers du séquençage automatisé.
À cette occasion il invente une approche systématique nouvelle, qu'il appelle les EST, expressed sequence tags, ou étiquettes de séquence exprimées. Il s'agit de fragments d'ADN complémentaires qu'il séquence de manière systématique, sans les caractériser au préalable. En 1991 et 1992, son équipe détermine la séquence de plus de 2500 EST associés à des gènes exprimés dans le cerveau humain, ce qui double d'un seul coup le nombre de gènes humains pour lesquels des données de séquence ADN sont disponibles. Avec les NIH, son employeur, il dépose des brevets sur tous ces gènes, ce qui déclenche un tollé dans la communauté des biologistes. James Watson (prix Nobel, co-découvreur de la structure de l'ADN) sera parmi les plus farouches opposants à cette appropriation du vivant.
À la suite de la polémique, Venter quitte les NIH en 1992 pour monter une fondation privée appelée TIGR, The Institute for Genome Research et monte une plateforme de séquençage à grande échelle. Il débauche Hamilton Smith, prix Nobel de Médecine 1978 pour la découverte des enzymes de restriction. Avec lui, il va s'attaquer au premier séquençage complet du génome d'un organisme vivant, la bactérie Haemophilus influenzae, qui sera achevé en 1995. Après cet exploit, Venter et le TIGR seront impliqués dans les séquençages de génomes de plusieurs organismes.
En 1998, Venter quitte le TIGR et fonde la Celera Genomics avec le soutien de la société Perkin-Elmer. Il devient le président et le directeur scientifique de cette nouvelle société dont l'objectif est de séquencer le génome humain, entrant ainsi en compétition avec le consortium public international. En 2000 Venter et Celera annoncent avoir fini de séquencer le génome, en même temps que le consortium international. On apprendra plus tard que le génome séquencé par Celera est celui de Craig Venter lui-même.
En 2002, Venter quitte Celera et monte le J. Craig Venter Institute. Ses nouveaux objectifs sont d'explorer la biodiversité génomique et de parvenir à recréer un organisme vivant synthétique en laboratoire.
Pionnier incontestable de la génomique, inventeur des EST et du séquençage génomique massif, Craig Venter est décrit par ses détracteurs comme un franc-tireur (maverick). Ses approches iconoclastes, parfois brutales, ont été souvent décriées par ses collègues académiques. James Watson a ainsi déclaré devant une commission du congrès américain que ce que faisait Venter avec ses machines de séquençage, ce n'était pas de la Science, un singe pourrait le faire.
Venter est actuellement président du Center for the Advancement of Genomics.
