Бреннер внес несколько важных вкладов в молекулярную биологию в 1960-х годах. Вместе с Фрэнсисом Криком и другими учеными он разработал генетический код, в котором триплеты оснований нуклеиновых кислот преобразуются в аминокислоты.
Затем Бреннер сосредоточился на создании Caenorhabditis elegans в качестве модельного организма для исследования развития животных, включая развитие нервной системы. Бреннер выбрал этого почвенного круглого червя длиной 1 миллиметр в основном потому, что он прост, легко выращивается в больших популяциях и оказался удобным для генетического анализа. За эту работу он разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2002 года с Робертом Хорвицем и Джоном Салстоном. Его Нобелевская лекция в декабре 2002 года "Дар природы науке" - это дань уважения этой скромной нематоде. Он считает, что выбор правильного организма так же важен, как и выбор правильных проблем для работы. В знак признания его новаторской работы над C. elegans другой близкородственной нематоде было дано научное название Caenorhabditis brenneri.
В 1996 году Бреннер основал Институт молекулярных наук в Беркли, Калифорния. В настоящее время он сотрудничает с Институтом Салка, Институтом молекулярной и клеточной биологии, Сингапурским советом биомедицинских исследований и Медицинским институтом Говарда Хьюза. В августе 2005 года Бреннер был назначен президентом Окинавского института науки и технологии. Он также входит в Совет научных управляющих Исследовательского института Скриппса.
Известный своей научной проницательностью и остроумием, Бреннер в течение многих лет вел регулярную колонку ("Loose Ends") в журнале Current Biology. Бреннера отмечали за его щедрость идей и большое количество студентов и коллег, которых его идеи стимулировали.
Бреннер умер 5 апреля 2019 года в Сингапуре. Ему было 92 года.
