W latach 60. Brenner wniósł kilka ważnych wkładów do biologii molekularnej. Wraz z Francisem Crickiem i innymi opracował kod genetyczny, w którym trójki zasad kwasu nukleinowego są tłumaczone na aminokwasy.
Następnie Brenner skupił się na stworzeniu Caenorhabditis elegans jako organizmu modelowego do badania rozwoju zwierząt, w tym rozwoju układu nerwowego. Brenner wybrał tę milimetrową glizdę głównie dlatego, że jest prosta, łatwo ją hodować w masowych populacjach i okazała się dogodna do analiz genetycznych. Za tę pracę otrzymał w 2002 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny wspólnie z Robertem Horvitzem i Johnem Sulstonem. Jego wykład noblowski z grudnia 2002 roku, "Dar natury dla nauki", jest hołdem złożonym temu skromnemu nicienia. Uważa on, że wybór właściwego organizmu jest równie ważny jak wybór właściwych problemów, nad którymi należy pracować. W uznaniu jego pionierskich prac nad C. elegans, inny blisko spokrewniony nicień otrzymał naukową nazwę Caenorhabditis brenneri.
W 1996 roku Brenner założył Molecular Sciences Institute w Berkeley, CA. Obecnie jest związany z Salk Institute, Institute of Molecular and Cell Biology, Singapore Biomedical Research Council oraz Howard Hughes Medical Institute. W sierpniu 2005 r. Brenner został mianowany prezesem Okinawskiego Instytutu Nauki i Technologii. Jest również członkiem Rady Gubernatorów Naukowych w Scripps Research Institute.
Znany ze swojej naukowej przenikliwości i dowcipu, Brenner przez wiele lat pisał regularną kolumnę ("Loose Ends") w czasopiśmie Current Biology. Brenner był znany ze swojej szczodrości pomysłów oraz ogromnej liczby studentów i kolegów, których jego pomysły pobudziły do działania.
Brenner zmarł 5 kwietnia 2019 roku w Singapurze. Miał 92 lata.
