Historia Teatru Studio sięga roku 1945, kiedy w podziemiach kamienicy przy ul. Marszałkowskiej 8 w centrum zburzonej Warszawy ruszyła scena – część Miejskich Teatrów Dramatycznych. Przez następne lata zmieniała swoje nazwy i charakter, by od 1955 funkcjonować jako jedna ze scen Teatru Klasycznego, prezentującego klasyczne formy teatralne i spektakle dla dzieci.
W 1971 dyrektorem Teatru Klasycznego został Józef Szajna, scenograf, reżyser, malarz, teoretyk teatru. To za jego kadencji scena przy Marszałkowskiej zaczęła samodzielne funkcjonowanie jako Teatr Rozmaitości – scena eksperymentalna, otwarta na nowości i poszukiwania artystyczne. Scena w Pałacu Kultury i Sztuki z kolei stała się oficjalnie Teatrem Studio w 1972.
Teatr Studio już po pierwszym sezonie kierowania teatrem przez Szajnę zyskał bardzo wyraźny charakter, zupełnie odrębny od bardziej konserwatywnego a funkcjonującego w przeciwnym skrzydle Pałacu Kultury i Nauki Teatru Dramatycznego. W 1972 przy Teatrze Studio utworzono także z inicjatywy Szajny galerię sztuki współczesnej.
Na początku lat 80. wybuchł konflikt między Józefem Szajną a zespołem artystycznym o kształt i przyszłość placówki. Wprowadzenie stanu wojennego 13 grudnia 1981 było dla Szajny sposobem na wyjście z konfliktu z twarzą – jego rezygnacja tuż po ogłoszeniu stanu wojennego była dla szerokiej publiczności, nieświadomej konfliktów wewnętrznych w teatrze, gestem politycznego oporu.
Na stanowisko dyrektora artystycznego został mianowany Jerzy Grzegorzewski, uznany reżyser, scenograf i dramaturg. Jak twierdzi Mateusz Żurawski, znawca życia i twórczości zatrudniony w Archiwum Teatru Studio, władze zgodziły się na kandydaturę Grzegorzewskiego z uwagi na jego opinię jako „nieszkodliwego wariata”, twórcy stroniącego od upolityczniania spektakli i skoncentrowanego na sztuce a nie komentowaniu rzeczywistości. W latach 80. Teatr Studio pod Grzegorzewskim był jednym z nielicznych ośrodków teatralnych, które utrzymywały wysoki poziom artystyczny. Odczytywane z perspektywy czasu, wystawiane przez zespół Grzegorzewskiego sztuki zawierały jednak niejednoznaczny i dogłębny komentarz do polskiej rzeczywistości lat 80. Patronem linii artystycznej teatru stał się Stanisław Ignacy Witkiewicz, którego imię Teatr Studio dostał w 1985 roku. W latach 80. rozwijała się także działalność Centrum Sztuki Studio, w skład której weszła też pracownia dokumentacji filmowej. Grzegorzewski odszedł z Teatru Studio do Teatru Narodowego w 1997 roku, zostawiając teatr duetowi Zbigniew Brzoza (dyrektor artystyczny) i Krzysztof Kosmala (dyrektor naczelny). W latach 2007-2009 teatrem kierował Bartosz Zaczykiewicz, za którego kadencji próbowano ożywić działalność Galerii Studio. Teatr Studio został jednak wtedy pozbawiony części przyległych do niego inicjatyw – zlikwidowano Impresariat, zbiory Pracowni Filmowej przekazano do Instytutu Teatralnego im. Zbigniewa Raszewskiego. W tej sytuacji Centrum Sztuki Studio przestało istnieć.
W roku 2010 w Teatrze Studio powstała Pracownia im. Jerzego Grzegorzewskiego, gdzie Mateusz Żurawski opracowuje i udostępnia zbiory po byłym dyrektorze Teatru i wszelkie archiwalia związane z Teatrem Studio.
