TIGR ja Celera Genomics
Venter lähti NIH:stä vuonna 1992 ja perusti voittoa tavoittelevan Human Genome Sciences -yhtiön tuella Gaithersburgissa, Md.:ssä sijaitsevan The Institute for Genomic Research (TIGR) -nimisen tutkimusyksikön. Instituutissa Venterin ensimmäisen vaimon, amerikkalaisen mikrobiologin Claire Fraserin johtama ryhmä sekvensoi Mycoplasma genitalium -mikro-organismin genomin.
Yhteistyössä yhdysvaltalaisen molekyyligeneetikon Hamilton Smithin kanssa Johns Hopkinsin yliopistossa Baltimoressa, Md. 1995 Venter määritteli ihmisillä korvasärkyä ja aivokalvontulehdusta aiheuttavan Haemophilus influenzae -bakteerin genomisekvenssin. Saavutus oli ensimmäinen kerta, kun vapaana elävän organismin täydellinen sekvenssi oli selvitetty, ja se onnistui alle vuodessa.
Venter perusti vuonna 1998 Celera Genomicsin ja alkoi sekvensoida ihmisen genomia. Celera luotti koko genomin ”shotgun”-sekvensointiin, nopeaan sekvensointitekniikkaan, jonka Venter oli kehittänyt ollessaan TIGR:ssä. Haulikkosekvensointitekniikkaa käytetään purettaessa pieniä (noin 2 000-10 000 emäsparin pituisia) DNA-jaksoja organismin genomista. Nämä osat kootaan myöhemmin koko genomin pituiseksi sekvenssiksi. Tämä on vastakohta vanhemmille genomin sekvensointitekniikoille, joissa organismin genomin fyysinen kartta luodaan järjestämällä kromosomien osia ennen sekvensoinnin aloittamista; sekvensoinnissa analysoidaan sitten pitkiä, 150 000 bp:n pituisia DNA-jaksoja. Celera aloitti ihmisen genomin dekoodauksen nopeammin kuin hallituksen johtama HGP. NIH:n rahoittama HGP-ryhmä, jota johti geneetikko Francis Collins, suhtautui Venterin työhön aluksi epäilevästi; vuonna 2000 Washingtonissa järjestetyssä seremoniassa Venter, Collins ja Yhdysvaltain presidentti Bill Clinton kokoontuivat kuitenkin ilmoittamaan, että ihmisen genomin karkea sekvenssiluonnos oli valmistunut. Ilmoituksessa korostettiin, että sekvenssi oli saatu aikaan Venterin yksityisen yrityksen ja Collinsin julkisen tutkimuskonsortion yhteisvoimin. HGP valmistui vuonna 2003.
Ihmisen genomin lisäksi Venter osallistui rotan, hiiren ja hedelmäkärpäsen genomien sekvensointiin. Vuonna 2006 hän perusti J. Craig Venter Research Instituten (JCVI), joka on voittoa tavoittelematon genomitutkimuksen tukiorganisaatio. Vuonna 2007 JCVI:n osittain rahoittamat tutkijat sekvensoivat onnistuneesti keltakuumeen tartunnanaiheuttajaa ihmisiin levittävän hyttysen Aedes aegypti genomin.