Brenner fez várias contribuições importantes para a biologia molecular nos anos 60. Com Francis Crick e outros, ele elaborou o código genético, onde trigêmeos de bases de ácidos nucléicos são traduzidos em aminoácidos.
Brenner então se concentrou em estabelecer a Caenorhabditis elegans como um organismo modelo para a investigação do desenvolvimento animal, incluindo o desenvolvimento do sistema nervoso. Brenner escolheu esta lagarta de solo de 1 milímetro de comprimento principalmente porque é simples, é fácil de crescer em populações a granel, e se mostrou conveniente para a análise genética. Para este trabalho, ele compartilhou o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2002 com Robert Horvitz e John Sulston. Sua palestra Nobel em dezembro de 2002, "O dom da natureza à ciência" é uma homenagem a este modesto nematóde. Ele considera que escolher o organismo certo é tão importante quanto escolher os problemas certos para trabalhar. Em reconhecimento a seu trabalho pioneiro em C. elegans, outro nematódeo intimamente relacionado recebeu o nome científico Caenorhabditis brenneri.
Brenner fundou o Instituto de Ciências Moleculares em Berkeley, CA, em 1996. Ele está atualmente associado ao Salk Institute, ao Institute of Molecular and Cell Biology, ao Singapore Biomedical Research Council e ao Howard Hughes Medical Institute. Em agosto de 2005, Brenner foi nomeado presidente do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa. Ele também faz parte do Conselho de Governadores Científicos do Instituto de Pesquisa Scripps.
Conhecido por sua perspicácia e perspicácia científica, Brenner escreveu durante muitos anos uma coluna regular ("Loose Ends") na revista Current Biology. Brenner foi notado por sua generosidade de idéias e pelo grande número de estudantes e colegas que suas idéias estimularam.
Brenner morreu em 5 de abril de 2019 em Cingapura. Ele tinha 92 anos.
