Santa Monica Studio grundades 1999 av Allan Becker, en mångårig Sony-anställd som ville ”bryta sig loss från Foster City-gruppen” inom Sony Computer Entertainment. Studion etablerades i ett kontor bredvid utvecklaren Naughty Dog innan den flyttade in i en tegelbyggnad i en förort till Santa Monica i Kalifornien. Byggnaden vid Penn Station skulle vara upptagen i femton år. För sitt första spel, racingtiteln Kinetica, beslutade Santa Monica Studio att hoppa över PlayStation-konsolen och byggde i stället spelet för konsolens då kommande efterföljare, PlayStation 2. En spelmotor utvecklades ”för att ge spelet några ben” för Kinetica och framtida utgåvor. Medan spelet utvecklades under studions lagbyggnadsfas fokuserade producenten Shannon Studstill på att spelet skulle släppas för att bevisa för Sony att Santa Monica Studio var kapabelt att leverera en produkt i tid och inom budget. Kinetica släpptes i tid 2001 och studion höll sig under den tilldelade budgeten. Efter publiceringen övergick Santa Monica Studio till sitt nästa projekt, God of War, samtidigt som man återanvände motorn från Kinetica.
Inom Santa Monica-kontoren fungerade Santa Monica Studio som en affärsinkubator för indie-spelstudior, särskilt Thatgamecompany och dess spel Journey, som Santa Monica Studio var med och utvecklade. Andra inkuberade team är Broodworks, Eat Sleep Play, Fun Bits, Giant Sparrow, Incognito Entertainment, Q-Games och Ready at Dawn. Becker lämnade Santa Monica Studio 2011. I mars 2012 hade Becker anslutit sig till Sonys Japan Studio, medan Shannon blev Santa Monica Studios ”Senior Director of Product Development”. I januari 2014 meddelade Santa Monica Studio att de skulle flytta från sina kontor på Penn Station till The Reserve, en 20 hektar stor anläggning på Jefferson Boulevard i Playa Vista i Los Angeles. Kontorslokalerna på 30 000 kvadratfot (2 800 m2) var enligt Studstill ”fyra eller fem gånger större” än deras tidigare kontor i Santa Monica. Vid den tiden hade studion ungefär 240 anställda. Ett okänt antal anställda avskedades i februari samma år på grund av att en ny intellektuell egendom ställdes in, däribland Stig Asmussen, som ledde det inställda projektet. Studions flytt avslutades den 22 juli 2014, tillsammans med en ny logotyp som kallades SMS ”Vanguard”.
I mars 2020 lämnade Studstill Santa Monica Studio för att leda en ny utvecklingsstudio under namnet Stadia. Därefter installerades en mångårig anställd och tidigare chef för produktutveckling vid Santa Monica Studio, Yumi Yang, som studiochef för utvecklaren.