Santa Monica Studio wurde 1999 von Allan Becker gegründet, einem langjährigen Sony-Mitarbeiter, der „aus der Unternehmensgruppe Foster City“ von Sony Computer Entertainment ausbrechen wollte. Das Studio wurde in einem Büro neben dem Entwickler Naughty Dog eingerichtet, bevor es in ein Backsteingebäude in den Vororten von Santa Monica, Kalifornien, umzog. Das Gebäude an der Penn Station sollte fünfzehn Jahre lang genutzt werden. Für sein erstes Spiel, den Renntitel Kinetica, entschied sich Santa Monica Studio, die PlayStation-Konsole zu überspringen und das Spiel stattdessen für den damals aufkommenden Nachfolger der Konsole, die PlayStation 2, zu entwickeln. Es wurde eine Spiel-Engine entwickelt, um Kinetica und künftigen Veröffentlichungen „Beine zu machen“. Während das Spiel in der Teambildungsphase des Studios entwickelt wurde, konzentrierte sich Produzent Shannon Studstill auf die Veröffentlichung des Spiels, um Sony zu beweisen, dass Santa Monica Studio in der Lage war, ein Produkt termingerecht und innerhalb des Budgets zu liefern. Kinetica wurde 2001 pünktlich veröffentlicht, wobei das Studio unter dem zugewiesenen Budget blieb. Nach der Veröffentlichung widmete sich Santa Monica Studio seinem nächsten Projekt, God of War, wobei die Engine von Kinetica wiederverwendet wurde.
In den Büros in Santa Monica fungierte Santa Monica Studio als Inkubator für Indie-Spielstudios, insbesondere Thatgamecompany und dessen Spiel Journey, das Santa Monica Studio mitentwickelte. Zu den anderen Teams, die von Santa Monica Studio unterstützt wurden, gehören Broodworks, Eat Sleep Play, Fun Bits, Giant Sparrow, Incognito Entertainment, Q-Games und Ready at Dawn. Becker verließ Santa Monica Studio im Jahr 2011. Im März 2012 wechselte Becker zu Sonys Japan Studio, während Shannon zum „Senior Director of Product Development“ von Santa Monica Studio wurde. Im Januar 2014 kündigte Santa Monica Studio an, dass es von seinen Büros in der Penn Station nach The Reserve umziehen würde, einer 20 Hektar großen Anlage am Jefferson Boulevard in Playa Vista, Los Angeles. Die 2.800 m2 Bürofläche waren laut Studstill „vier- oder fünfmal so groß“ wie das vorherige Büro in Santa Monica. Zu diesem Zeitpunkt beschäftigte das Studio rund 240 Mitarbeiter. Im Februar desselben Jahres wurde eine ungenannte Anzahl von Mitarbeitern entlassen, weil ein neues geistiges Eigentum eingestellt wurde, darunter auch Stig Asmussen, der das eingestellte Projekt leitete. Der Umzug des Studios wurde am 22. Juli 2014 abgeschlossen, verbunden mit einem neuen Logo, das SMS „Vanguard“ nannte.
Im März 2020 verließ Studstill das Santa Monica Studio, um ein neues Entwicklungsstudio unter Stadia zu leiten. In der Folge wurde die langjährige Mitarbeiterin und frühere Leiterin der Produktentwicklung von Santa Monica Studio, Yumi Yang, als Leiterin des Entwicklerstudios eingesetzt.