TIGR a Celera Genomics
Venter v roce 1992 opustil NIH a s podporou výdělečné společnosti Human Genome Sciences v Gaithersburgu ve státě Md. založil výzkumnou pobočku The Institute for Genomic Research (TIGR). V tomto institutu tým vedený americkou mikrobioložkou Claire Fraserovou, Venterovou první manželkou, sekvenoval genom mikroorganismu Mycoplasma genitalium.
V roce 1995 určil Venter ve spolupráci s americkým molekulárním genetikem Hamiltonem Smithem z Univerzity Johnse Hopkinse v Baltimoru genomovou sekvenci bakterie Haemophilus influenzae, která u lidí způsobuje bolesti uší a meningitidu. Tento úspěch znamenal, že byla poprvé rozluštěna kompletní sekvence volně žijícího organismu, a to za méně než rok.
V roce 1998 založil Venter společnost Celera Genomics a začal sekvenovat lidský genom. Celera spoléhala na sekvenování celého genomu „shotgun“, rychlou sekvenační techniku, kterou Venter vyvinul během svého působení v TIGR. Technika shotgun se používá k dekódování malých úseků DNA (o délce přibližně 2 000-10 000 párů bází) genomu organismu. Tyto úseky jsou později sestaveny do genomové sekvence plné délky. To je rozdíl od starších technik sekvenování genomu, při nichž se před zahájením sekvenování vytváří fyzická mapa genomu organismu uspořádáním úseků chromozomů; sekvenování pak zahrnuje analýzu dlouhých, 150 000 bp úseků DNA. Společnost Celera začala dekódovat lidský genom rychleji než vládní HGP. Venterova práce byla skupinou HGP financovanou NIH, vedenou genetikem Francisem Collinsem, zpočátku vnímána skepticky; přesto se Venter, Collins a americký prezident Bill Clinton v roce 2000 sešli na slavnostním ceremoniálu ve Washingtonu, aby oznámili dokončení hrubého návrhu sekvence lidského genomu. V oznámení bylo zdůrazněno, že sekvence vznikla díky společnému úsilí Venterovy soukromé společnosti a Collinsova veřejného výzkumného konsorcia. HGP byl dokončen v roce 2003.
Kromě lidského genomu se Venter podílel na sekvenování genomů potkana, myši a ovocné mušky. V roce 2006 založil neziskovou organizaci na podporu genomického výzkumu J. Craig Venter Research Institute (JCVI). V roce 2007 vědci částečně financovaní JCVI úspěšně sekvenovali genom komára Aedes aegypti, který přenáší na člověka původce infekční žluté zimnice.