Brenner leistete in den 1960er Jahren mehrere wichtige Beiträge zur Molekularbiologie. Mit Francis Crick und anderen erarbeitete er den genetischen Code, bei dem Tripletts von Nukleinsäurebasen in Aminosäuren übersetzt werden.
Brenner konzentrierte sich dann auf die Etablierung von Caenorhabditis elegans als Modellorganismus für die Untersuchung der tierischen Entwicklung einschließlich der Entwicklung des Nervensystems. Brenner wählte diesen 1 Millimeter langen Bodenspulwurm vor allem deshalb, weil er einfach ist, leicht in großen Populationen zu züchten ist und sich für die genetische Analyse als geeignet erwies. Für diese Arbeit teilte er sich 2002 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin mit Robert Horvitz und John Sulston. Sein Nobelvortrag im Dezember 2002, "Das Geschenk der Natur an die Wissenschaft", ist eine Hommage an diesen bescheidenen Fadenwurm. Seiner Ansicht nach ist die Wahl des richtigen Organismus ebenso wichtig wie die Auswahl der richtigen Probleme, an denen gearbeitet werden soll. In Anerkennung seiner bahnbrechenden Arbeiten über C. elegans erhielt ein weiterer eng verwandter Fadenwurm den wissenschaftlichen Namen Caenorhabditis brenneri.
Brenner gründete 1996 das Molekularwissenschaftliche Institut in Berkeley, Kalifornien. Derzeit ist er mit dem Salk Institute, dem Institut für Molekular- und Zellbiologie, dem Singapore Biomedical Research Council und dem Howard Hughes Medical Institute verbunden. Im August 2005 wurde Brenner zum Präsidenten des Okinawa Institute of Science and Technology ernannt. Er ist auch im Vorstand der wissenschaftlichen Gouverneure des Scripps Research Institute.
Bekannt für seine wissenschaftliche Einsicht und seinen Witz, verfasste Brenner viele Jahre lang eine regelmäßige Kolumne ("Loose Ends") in der Zeitschrift Current Biology. Brenner war bekannt für seine Großzügigkeit an Ideen und die große Zahl von Studenten und Kollegen, die seine Ideen angeregt haben.
Brenner starb am 5. April 2019 in Singapur. Er war 92 Jahre alt.
