Brenner ha dato diversi contributi importanti alla biologia molecolare negli anni '60. Con Francis Crick e altri, ha elaborato il codice genetico, dove le triplette di basi di acido nucleico sono tradotte in aminoacidi.
Brenner si è poi concentrato sull'istituzione del Caenorhabditis elegans come organismo modello per lo studio dello sviluppo animale, compreso lo sviluppo del sistema nervoso. Brenner ha scelto questo verme lungo 1 millimetro principalmente perché è semplice, è facile da coltivare in popolazioni di massa e si è rivelato conveniente per l'analisi genetica. Per questo lavoro, ha condiviso il premio Nobel 2002 in fisiologia o medicina con Robert Horvitz e John Sulston. La sua conferenza del Nobel nel dicembre 2002, "Il dono della natura alla scienza" è un omaggio a questo modesto nematode. Egli ritiene che la scelta dell'organismo giusto sia importante quanto la scelta dei problemi giusti su cui lavorare. In riconoscimento del suo lavoro pionieristico su C. elegans, un altro nematode strettamente correlato ha ricevuto il nome scientifico Caenorhabditis brenneri.
Brenner ha fondato il Molecular Sciences Institute a Berkeley, CA nel 1996. Attualmente è associato al Salk Institute, all'Institute of Molecular and Cell Biology, al Singapore Biomedical Research Council e all'Howard Hughes Medical Institute. Nell'agosto 2005 Brenner è stato nominato presidente dell'Okinawa Institute of Science and Technology. Fa anche parte del consiglio dei governatori scientifici dello Scripps Research Institute.
Noto per il suo intuito scientifico e la sua arguzia, Brenner ha scritto per molti anni una rubrica regolare ("Loose Ends") nella rivista Current Biology. Brenner era noto per la sua generosità di idee e per il gran numero di studenti e colleghi che le sue idee hanno stimolato.
Brenner è morto il 5 aprile 2019 a Singapore. Aveva 92 anni.
