Santa Monica Studio a été fondé en 1999 par Allan Becker, un employé de longue date de Sony qui voulait « sortir du groupe corporatif de Foster City » de Sony Computer Entertainment. Le studio s’est installé dans un bureau à côté du développeur Naughty Dog avant de déménager dans un bâtiment en briques dans la banlieue de Santa Monica, en Californie. Le bâtiment de Penn Station sera occupé pendant quinze ans. Pour son premier jeu, le titre de course Kinetica, Santa Monica Studio a décidé de ne pas s’attaquer à la console PlayStation et de construire le jeu pour la PlayStation 2, qui allait succéder à la console. Un moteur de jeu a été développé « pour donner de l’élan » à Kinetica et aux versions suivantes. Bien que le jeu ait été développé pendant la phase de constitution de l’équipe du studio, le producteur Shannon Studstill s’est concentré sur la sortie du jeu pour prouver à Sony que Santa Monica Studio était capable de livrer un produit dans les délais et le budget impartis. Kinetica est sorti dans les temps en 2001, le studio restant en dessous du budget alloué. Après la publication, Santa Monica Studio s’est tourné vers son projet suivant, God of War, tout en réutilisant le moteur de Kinetica.
Dans les bureaux de Santa Monica, Santa Monica Studio a fait office d’incubateur d’entreprises pour des studios de jeux indépendants, notamment Thatgamecompany et son jeu Journey, que Santa Monica Studio a co-développé. Parmi les autres équipes incubées figurent Broodworks, Eat Sleep Play, Fun Bits, Giant Sparrow, Incognito Entertainment, Q-Games et Ready at Dawn. Becker a quitté Santa Monica Studio en 2011. En mars 2012, Becker a rejoint le Japan Studio de Sony, tandis que Shannon est devenu le » directeur principal du développement produit » de Santa Monica Studio. En janvier 2014, le Santa Monica Studio a annoncé qu’il allait quitter ses bureaux de Penn Station pour s’installer à The Reserve, une installation de 20 acres sur Jefferson Boulevard à Playa Vista, Los Angeles. Les 30 000 pieds carrés (2 800 m2) de bureaux étaient « quatre ou cinq fois plus grands » que leur précédent bureau de Santa Monica, selon Studstill. À l’époque, le studio employait environ 240 personnes. Un nombre non divulgué d’employés a été licencié en février de la même année en raison de l’annulation d’une nouvelle propriété intellectuelle, y compris Stig Asmussen, qui dirigeait le projet annulé. Le déménagement du studio a été achevé le 22 juillet 2014, couplé à un nouveau logo, surnommé SMS « Vanguard ».
En mars 2020, Studstill a quitté Santa Monica Studio pour diriger un nouveau studio de développement sous Stadia. Par la suite, une employée de longue date et ancienne directrice du développement de produits de Santa Monica Studio, Yumi Yang, a été installée à la tête du studio du développeur.
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