Santa Monica Studio fue fundado en 1999 por Allan Becker, un antiguo empleado de Sony que quería «salirse del grupo corporativo de Foster City» de Sony Computer Entertainment. El estudio se estableció en una oficina junto a la desarrolladora Naughty Dog antes de trasladarse a un edificio de ladrillo en los suburbios de Santa Mónica, California. El edificio de Penn Station estaría ocupado durante quince años. Para su primer juego, el título de carreras Kinetica, Santa Monica Studio decidió prescindir de la consola PlayStation y, en su lugar, construyó el juego para la entonces próxima sucesora de la consola, la PlayStation 2. Se desarrolló un motor de juego «para dar pie» a Kinetica y a futuros lanzamientos. Aunque el juego se desarrolló durante la fase de creación del equipo del estudio, el productor Shannon Studstill se centró en el lanzamiento del juego para demostrar a Sony que Santa Monica Studio era capaz de entregar un producto en el plazo previsto y dentro del presupuesto. Kinetica salió a la venta a tiempo en 2001, y el estudio se mantuvo por debajo del presupuesto asignado. Tras la publicación, Santa Monica Studio se dedicó a su siguiente proyecto, God of War, reutilizando el motor de Kinetica.

Dentro de las oficinas de Santa Monica, Santa Monica Studio actuó como incubadora de negocios para estudios de juegos indie, especialmente Thatgamecompany y su juego Journey, que Santa Monica Studio codesarrolló. Otros equipos incubados son Broodworks, Eat Sleep Play, Fun Bits, Giant Sparrow, Incognito Entertainment, Q-Games y Ready at Dawn. Becker dejó Santa Monica Studio en 2011. En marzo de 2012, Becker se unió al Japan Studio de Sony, mientras que Shannon se convirtió en el «Director Senior de Desarrollo de Productos» de Santa Monica Studio. En enero de 2014, Santa Monica Studio anunció que se trasladaría de sus oficinas de Penn Station a The Reserve, unas instalaciones de 20 acres en Jefferson Boulevard, en Playa Vista, Los Ángeles. Los 30.000 pies cuadrados (2.800 m2) de espacio de oficinas eran «cuatro o cinco veces el tamaño» de su anterior oficina de Santa Mónica, según Studstill. En ese momento, el estudio contaba con unos 240 empleados. Un número no revelado de empleados fue despedido en febrero de ese año debido a la cancelación de una nueva propiedad intelectual, incluido Stig Asmussen, que dirigía el proyecto cancelado. La reubicación del estudio se completó el 22 de julio de 2014, junto con un nuevo logotipo, apodado SMS «Vanguard».

En marzo de 2020, Studstill dejó Santa Monica Studio para dirigir un nuevo estudio de desarrollo bajo Stadia. Posteriormente, una empleada de larga data y anterior directora de desarrollo de productos de Santa Monica Studio, Yumi Yang, fue instalada como jefa del estudio de desarrollo.