TIGR og Celera Genomics
Venter forlod NIH i 1992 og etablerede med opbakning fra den profitorienterede virksomhed Human Genome Sciences i Gaithersburg, Md., en forskningsafdeling, The Institute for Genomic Research (TIGR). På instituttet sekventerede et hold under ledelse af den amerikanske mikrobiolog Claire Fraser, Venters første kone, genomet af mikroorganismen Mycoplasma genitalium.
I 1995 bestemte Venter i samarbejde med den amerikanske molekylærgenetiker Hamilton Smith fra Johns Hopkins University i Baltimore, Md., den genomiske sekvens af Haemophilus influenzae, en bakterie, der forårsager ørepine og meningitis hos mennesker. Det var første gang, at den fuldstændige sekvens af en fritlevende organisme var blevet tydet, og det blev gjort på mindre end et år.
I 1998 grundlagde Venter Celera Genomics og begyndte at sekventere det menneskelige genom. Celera benyttede sig af “shotgun”-sekventering af hele genomet, en hurtig sekventeringsteknik, som Venter havde udviklet, mens han arbejdede på TIGR. Shotgun-teknikken bruges til at afkode små dele af DNA (ca. 2.000-10.000 basepar i længden) af en organismes genom. Disse sektioner samles senere til en genomisk sekvens i fuld længde. Dette står i modsætning til ældre genomsekventeringsteknikker, hvor der skabes et fysisk kort over en organismes genom ved at ordne segmenter af kromosomer, inden sekventeringen påbegyndes; sekventeringen indebærer derefter analyse af lange DNA-sektioner på 150 000 bp. Celera begyndte at afkode det menneskelige genom i et hurtigere tempo end det statslige HGP. Venters arbejde blev i første omgang betragtet med skepsis af den NIH-finansierede HGP-gruppe under ledelse af genetikeren Francis Collins; ikke desto mindre samledes Venter, Collins og den amerikanske præsident Bill Clinton ved en ceremoni i Washington D.C. i 2000 for at bekendtgøre, at et udkast til en grov sekvens af det menneskelige genom var blevet færdiggjort. Ved annonceringen blev det understreget, at sekvensen var blevet til gennem en samordnet indsats mellem Venters private virksomhed og Collins’ offentlige forskningskonsortium. HGP blev afsluttet i 2003.
Ud over det menneskelige genom bidrog Venter til sekventeringen af genomerne af rotte, mus og frugtflue. I 2006 grundlagde han J. Craig Venter Research Institute (JCVI), en almennyttig organisation til støtte for genomforskning uden gevinst for øje. I 2007 lykkedes det forskere, der delvist finansieres af JCVI, at sekventere genomet af myggen Aedes aegypti, som overfører det smitsomme middel gul feber til mennesker.