Santa Monica Studio è stato fondato nel 1999 da Allan Becker, un dipendente Sony di lunga data che voleva “uscire dal gruppo aziendale di Foster City” della Sony Computer Entertainment. Lo studio fu stabilito in un ufficio accanto allo sviluppatore Naughty Dog prima di trasferirsi in un edificio di mattoni nella periferia di Santa Monica, California. L’edificio di Penn Station sarebbe stato occupato per quindici anni. Per il suo primo gioco, il titolo di corse Kinetica, Santa Monica Studio decise di saltare la console PlayStation e costruì il gioco per l’allora prossimo successore della console, la PlayStation 2. Un motore di gioco è stato sviluppato “per dare le gambe” a Kinetica e alle uscite future. Mentre il gioco è stato sviluppato durante la fase di costruzione del team dello studio, il produttore Shannon Studstill si è concentrato sul rilascio del gioco per dimostrare a Sony che Santa Monica Studio era in grado di consegnare un prodotto nei tempi e nel budget previsti. Kinetica è stato rilasciato in tempo nel 2001, con lo studio che è rimasto sotto il budget assegnato. Dopo la pubblicazione, Santa Monica Studio passò al suo progetto successivo, God of War, mentre riutilizzava il motore di Kinetica.
Negli uffici di Santa Monica, Santa Monica Studio ha agito come un incubatore di imprese per studi di giochi indie, in particolare Thatgamecompany e il suo gioco Journey, che Santa Monica Studio ha sviluppato insieme. Altri team incubati includono Broodworks, Eat Sleep Play, Fun Bits, Giant Sparrow, Incognito Entertainment, Q-Games e Ready at Dawn. Becker ha lasciato Santa Monica Studio nel 2011. A marzo 2012, Becker si è unito al Japan Studio di Sony, mentre Shannon è diventato “Senior Director of Product Development” di Santa Monica Studio. Nel gennaio 2014, Santa Monica Studio ha annunciato che si sarebbe trasferito dai suoi uffici di Penn Station a The Reserve, una struttura di 20 acri su Jefferson Boulevard a Playa Vista, Los Angeles. I 30.000 piedi quadrati (2.800 m2) di spazio per uffici erano “quattro o cinque volte più grandi” del loro precedente ufficio di Santa Monica, secondo Studstill. All’epoca, lo studio impiegava circa 240 persone. Un numero imprecisato di dipendenti è stato licenziato nel febbraio dello stesso anno a causa della cancellazione di una nuova proprietà intellettuale, compreso Stig Asmussen, che guidava il progetto cancellato. Il trasferimento dello studio è stato completato il 22 luglio 2014, insieme ad un nuovo logo, soprannominato SMS “Vanguard”.
Nel marzo 2020, Studstill ha lasciato Santa Monica Studio per guidare un nuovo studio di sviluppo sotto Stadia. Successivamente, un dipendente di lunga data e precedente direttore dello sviluppo dei prodotti per Santa Monica Studio, Yumi Yang, è stato installato come capo dello studio di sviluppo.