Brenner a adus mai multe contribuții importante la biologia moleculară în anii 1960. Împreună cu Francis Crick și alții, a elaborat codul genetic, în care tripletele de baze de acid nucleic sunt traduse în aminoacizi.
Brenner s-a concentrat apoi pe stabilirea Caenorhabditis elegans ca organism model pentru investigarea dezvoltării animalelor, inclusiv a dezvoltării sistemului nervos. Brenner a ales acest vierme rotund de sol cu o lungime de 1 milimetru în principal pentru că este simplu, este ușor de crescut în populații masive și s-a dovedit a fi convenabil pentru analiza genetică. Pentru această lucrare, el a împărțit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din 2002 cu Robert Horvitz și John Sulston. Prelegerea sa Nobel din decembrie 2002, "Cadoul naturii pentru știință", este un omagiu adus acestui modest nematod. El consideră că alegerea organismului potrivit este la fel de importantă ca și alegerea problemelor potrivite la care să lucreze. În semn de recunoaștere a muncii sale de pionierat asupra lui C. elegans, un alt nematod strâns înrudit a primit numele științific Caenorhabditis brenneri.
Brenner a fondat Institutul de Științe Moleculare din Berkeley, California, în 1996. În prezent, este asociat cu Institutul Salk, Institutul de Biologie Moleculară și Celulară, Consiliul de Cercetare Biomedicală din Singapore și Institutul Medical Howard Hughes. În august 2005, Brenner a fost numit președinte al Institutului de Știință și Tehnologie din Okinawa. De asemenea, el face parte din Consiliul Guvernatorilor Științifici al Institutului de Cercetare Scripps.
Cunoscut pentru perspicacitatea și inteligența sa științifică, Brenner a scris timp de mulți ani o rubrică periodică ("Loose Ends") în revista Current Biology. Brenner a fost remarcat pentru generozitatea ideilor sale și pentru numărul mare de studenți și colegi pe care ideile sale i-au stimulat.
Brenner a murit pe 5 aprilie 2019 în Singapore. Avea 92 de ani.
