Ο Brenner είχε πολλές σημαντικές συνεισφορές στη μοριακή βιολογία τη δεκαετία του 1960. Μαζί με τον Francis Crick και άλλους, επεξεργάστηκε τον γενετικό κώδικα, όπου τριπλέτες βάσεων νουκλεϊκών οξέων μεταφράζονται σε αμινοξέα.
Στη συνέχεια, ο Brenner επικεντρώθηκε στην καθιέρωση του Caenorhabditis elegans ως πρότυπου οργανισμού για τη διερεύνηση της ανάπτυξης των ζώων, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης του νευρικού συστήματος. Ο Brenner επέλεξε αυτόν τον εδαφικό στρογγυλό σκουλήκι μήκους 1 χιλιοστού κυρίως επειδή είναι απλό, είναι εύκολο να αναπτυχθεί σε μαζικούς πληθυσμούς και αποδείχθηκε βολικό για γενετική ανάλυση. Για το έργο του αυτό, μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής του 2002 με τους Robert Horvitz και John Sulston. Η διάλεξή του για το Νόμπελ τον Δεκέμβριο του 2002 με τίτλο "Το δώρο της φύσης στην επιστήμη" είναι ένας φόρος τιμής σε αυτόν τον ταπεινό νηματώδη. Θεωρεί ότι η επιλογή του σωστού οργανισμού είναι εξίσου σημαντική με την επιλογή των σωστών προβλημάτων για να εργαστεί. Σε αναγνώριση του πρωτοποριακού του έργου στον C. elegans, ένας άλλος στενά συγγενής νηματώδης έλαβε το επιστημονικό όνομα Caenorhabditis brenneri.
Ο Brenner ίδρυσε το Ινστιτούτο Μοριακών Επιστημών στο Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνια το 1996. Σήμερα συνεργάζεται με το Ινστιτούτο Salk, το Ινστιτούτο Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας, το Συμβούλιο Βιοϊατρικής Έρευνας της Σιγκαπούρης και το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. Τον Αύγουστο του 2005 ο Brenner διορίστηκε πρόεδρος του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα. Είναι επίσης μέλος του Συμβουλίου Επιστημονικών Διοικητών του Ερευνητικού Ινστιτούτου Scripps.
Γνωστός για την επιστημονική του διορατικότητα και το πνεύμα του, ο Brenner έγραφε για πολλά χρόνια μια τακτική στήλη ("Loose Ends") στο περιοδικό Current Biology. Ο Brenner ήταν γνωστός για τη γενναιοδωρία των ιδεών του και για τον μεγάλο αριθμό φοιτητών και συναδέλφων που οι ιδέες του υποκίνησαν.
Ο Brenner πέθανε στις 5 Απριλίου 2019 στη Σιγκαπούρη. Ήταν 92 ετών.
