Teatr powstał w lutym 1972 z inicjatywy ówczesnego dyrektora Teatru Klasycznego Józefa Szajny przez przekształcenie Teatru Klasycznego. Mieści się w Pałacu Kultury i Nauki. Kolejnymi dyrektorami naczelnymi i artystycznymi teatru byli: Józef Szajna, Jerzy Grzegorzewski, Zbigniew Brzoza i Bartosz Zaczykiewicz.
16 grudnia 2009 powołano (pełnienie funkcji od stycznia 2010) dyrektora naczelnego – Macieja Klimczaka oraz dyrektora artystycznego, którym został Grzegorz Bral. 15 lipca 2011 roku Macieja Klimczaka na stanowisku dyrektora naczelnego zastąpił dyrektor Teatru Polonia i Och-teatru Roman Osadnik.
Wprowadzone przez niego zmiany w sposobie promowania i kształtowania wizerunku teatru, a także otwarcie go na nowe projekty (cykle: The Met Opera HD, Siesta w Studio Marcina Kydyńskiego; współpraca z Instytutem Reportażu) spowodowały, że w krótkim czasie Teatr Studio na powrót stał się chętnie uczęszczanym miejscem.
W latach 2012–2015 dyrektorem artystycznym teatru była Agnieszka Glińska. Swoją dyrekcję rozpoczęła od zbudowania silnego i różnorodnego zespołu, zapraszając do współpracy artystów z innych warszawskich scen. Za „zmiany, jakie już udało się jej przeprowadzić [...], za obiecujące nowe spektakle i komplety na widowni” Glińska została wyróżniona nagrodą „Co Jest Grane” Wdecha 2012 w kategorii Człowiek Roku.
17 października 2012 odbyła się uroczystość nadania imion twórców Teatru Studio: Józefa Szajny – Dużej Scenie oraz Jerzego Grzegorzewskiego – Galerii.
