Після цього Бреннер сфокусувався на біології Caenorhabditis elegans як модельного організму для дослідження біології розвитку, включаючи нейрональний розвиток. Він вибрав цього міліметрового ґрунтового черв'яка як модель завдяки простоті його анатомії, легкості вирощування у великих кількостях і, найголовніше, тому що він виявився виключно придатним для генетичного аналізу.
За останні дослідження Сідні Бреннер разом із Робертом Горвіцем та Джоном Салстоном у 2002 році отримав Нобелівську премію в галузі медицини і фізіології «За відкриття в галузі генетичного регулювання розвитку людських органів». Його Нобелівська лекція називалася «Природний дар науці» і була присвячена скромній нематоді, яка допомогла розкрити багато особливостей розвитку організмів, такі, наприклад, як апоптоз.
На знак заслуг Бреннера і його піонерської ролі в загальному дослідницькому співтоваристві, що працює над C. elegans, інша нематода, споріднена C. elegans, була названа Caenorhabditis brenneri.
Бреннер заснував Інститут молекулярних наук, який асоційований з Інститутом біологічних досліджень Салко (Сан-Дієго).