TIGR és Celera Genomics
Venter 1992-ben elhagyta az NIH-t, és a Gaithersburgban (Md.) működő Human Genome Sciences nevű profitorientált cég támogatásával létrehozta a The Institute for Genomic Research (TIGR) nevű kutatási részleget. Az intézetben egy csapat, amelyet Claire Fraser amerikai mikrobiológus, Venter első felesége vezetett, szekvenálta a Mycoplasma genitalium nevű mikroorganizmus genomját.
1995-ben Venter a baltimore-i Johns Hopkins Egyetem amerikai molekuláris genetikusával, Hamilton Smith-szel együttműködve meghatározta a Haemophilus influenzae, az emberekben fülfájást és agyhártyagyulladást okozó baktérium genomszekvenciáját. Ez az eredmény volt az első alkalom, hogy egy szabadon élő szervezet teljes szekvenciáját megfejtették, és ez kevesebb mint egy év alatt sikerült.
1998-ban Venter megalapította a Celera Genomicsot, és megkezdte az emberi genom szekvenálását. A Celera a teljes genom “shotgun” szekvenálására támaszkodott, egy gyors szekvenálási technikára, amelyet Venter még a TIGR-nél fejlesztett ki. A shotgun technikát egy szervezet genomjának kis DNS-szakaszainak (kb. 2000-10 000 bázispár hosszúságú) dekódolására használják. Ezeket a szakaszokat később teljes hosszúságú genomszekvenciává állítják össze. Ez ellentétben áll a régebbi genomszekvenálási technikákkal, amelyeknél a szekvenálás megkezdése előtt a szervezet genomjának fizikai térképét a kromoszómák szakaszainak elrendezésével hozzák létre; a szekvenálás ezután a DNS hosszú, 150 000 bp hosszú szakaszainak elemzésével jár. A Celera gyorsabb ütemben kezdte meg az emberi genom dekódolását, mint a kormány által irányított HGP. Venter munkáját a Francis Collins genetikus által vezetett, az NIH által finanszírozott HGP csoport eleinte szkeptikusan szemlélte; ennek ellenére 2000-ben egy Washingtonban tartott ünnepségen Venter, Collins és Bill Clinton amerikai elnök összegyűlt, hogy bejelentse az emberi genom szekvenciájának durva tervezetének elkészültét. A bejelentés hangsúlyozta, hogy a szekvencia Venter magáncége és Collins állami kutatói konzorciuma közös erőfeszítésével jött létre. A HGP 2003-ban fejeződött be.
Az emberi genomon kívül Venter hozzájárult a patkány, az egér és a gyümölcslégy genomjának szekvenálásához is. 2006-ban megalapította a J. Craig Venter Research Institute-ot (JCVI), egy nonprofit genomikai kutatásokat támogató szervezetet. 2007-ben a részben a JCVI által finanszírozott kutatók sikeresen szekvenálták az Aedes aegypti szúnyog genomját, amely a sárgaláz fertőző kórokozóját közvetíti az emberre.