TIGR und Celera Genomics
Venter verließ 1992 das NIH und gründete mit der Unterstützung des gewinnorientierten Unternehmens Human Genome Sciences in Gaithersburg, Md. einen Forschungszweig, das Institute for Genomic Research (TIGR). An diesem Institut sequenzierte ein Team unter der Leitung der amerikanischen Mikrobiologin Claire Fraser, Venters erster Ehefrau, das Genom des Mikroorganismus Mycoplasma genitalium.
Im Jahr 1995 bestimmte Venter in Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Molekulargenetiker Hamilton Smith von der Johns Hopkins University in Baltimore, Md. die Genomsequenz von Haemophilus influenzae, einem Bakterium, das beim Menschen Ohrenschmerzen und Meningitis verursacht. Dies war das erste Mal, dass die vollständige Sequenz eines freilebenden Organismus entschlüsselt wurde, und das in weniger als einem Jahr.
1998 gründete Venter Celera Genomics und begann mit der Sequenzierung des menschlichen Genoms. Celera stützte sich auf die „Shotgun“-Sequenzierung des gesamten Genoms, eine schnelle Sequenzierungstechnik, die Venter während seiner Zeit am TIGR entwickelt hatte. Mit der Shotgun-Technik werden kleine DNA-Abschnitte (etwa 2.000-10.000 Basenpaare lang) des Genoms eines Organismus entschlüsselt. Diese Abschnitte werden später zu einer Genomsequenz in voller Länge zusammengesetzt. Dies steht im Gegensatz zu älteren Genomsequenzierungstechniken, bei denen eine physische Karte des Genoms eines Organismus durch die Anordnung von Chromosomensegmenten erstellt wird, bevor mit der Sequenzierung begonnen wird; die Sequenzierung umfasst dann die Analyse langer DNA-Abschnitte von 150.000 bp. Celera begann mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms in einem schnelleren Tempo als das von der Regierung betriebene HGP. Venters Arbeit wurde von der NIH-finanzierten HGP-Gruppe unter der Leitung des Genetikers Francis Collins zunächst mit Skepsis betrachtet; dennoch versammelten sich Venter, Collins und US-Präsident Bill Clinton im Jahr 2000 in Washington, D.C., um die Fertigstellung eines Rohentwurfs der Sequenz des menschlichen Genoms bekannt zu geben. In der Ankündigung wurde betont, dass die Sequenz durch eine gemeinsame Anstrengung von Venters privatem Unternehmen und Collins‘ öffentlichem Forschungskonsortium erstellt worden war. Das HGP wurde 2003 abgeschlossen.
Neben dem menschlichen Genom trug Venter auch zur Sequenzierung der Genome von Ratte, Maus und Fruchtfliege bei. Im Jahr 2006 gründete er das J. Craig Venter Research Institute (JCVI), eine gemeinnützige Organisation zur Unterstützung der Genomforschung. Im Jahr 2007 gelang Forschern, die zum Teil vom JCVI finanziert wurden, die Sequenzierung des Genoms der Stechmücke Aedes aegypti, die den Erreger des Gelbfiebers auf den Menschen überträgt.