20th Century Studios est créé en 1915 en tant que Fox Film par William Fox, qui fusionnera ensuite avec Twentieth Century Pictures, créé en 1933 par Darryl F. Zanuck et Joseph Schenck. Cette fusion donnera le nom de 20th Century Fox, un nom que la société gardera de 1935 à 2020.

Fox Film Corporation est créée en 1915 par William Fox, par la fusion de ses deux sociétés : Greater New York Film Rental, et Box Office Attractions Company, une société de production de bobines de films.
En 1929, endetté et menacé par la faillite, William Fox voit son empire s’écrouler. Fox Film, avec plus de 500 cinémas, est placé en liquidation judiciaire.
D’après la banque chargée de la réorganisation de l’entreprise : seule une fusion peut permettre à Fox de survivre. La filiale des salles de cinémas Fox West Coast Theatres, est elle aussi en faillite et est vendue à National Theatres Corporation, société dirigée par Charles Skouras.
Les nouveaux propriétaires et le président de Fox, Sydney Kent négocient avec une organisation indépendante, mais très puissante, appelée Twentieth Century Pictures au début du printemps 1935.
Twentieth Century Pictures est un studio d’Hollywood indépendant créé en 1933. « La Maison des Rothschild », en 1934 signe leur première réussite et sera même nommé aux oscars dans la catégorie du Meilleur Film. En 1935, est également produit « Les Misérables », adapté du roman de Victor Hugo, et qui sera lui aussi nommé pour la récompense du Meilleur Film.
Joseph Schenck et la direction de Fox acceptent l'offre de fusion. Bien que Twentieth Century soit le principal organisateur de cette fusion, elle n'est qu'un nain par rapport à Fox. Dans cet esprit, son gérant Sydney Kent souhaite alors que le nouveau studio s’appelle Fox-20th Century, mais Zanuck et Schenk tapèrent du poing pour obtenir l’inverse. La société est donc baptisée The Twentieth Century-Fox Film Corporation, et débute ses activités le 31 mai 1935. Schenck devient chef de la direction, tandis que Kent reste président.

Très rapidement et grâce aux biographies populaires et aux comédies musicales, Zanuck réussit à faire renaître 20th Century-Fox. Avec des records de recettes pendant la Seconde Guerre Mondiale, 20th Century-Fox dépasse même RKO (la plus ancienne des sociétés américaines indépendantes de production de films), et bat même la MGM, devenant ainsi le studio le plus rentable d’Hollywood.
En 1942, Spyros Skouras succède à Joseph Schenck comme président du studio.
Durant les années suivantes, grâce à « Wilson » (1944), « Le Fil du Rasoir » (1946), « Boomerang ! » (1947), « Le Mur Invisible » (1947), « La Fosse aux Serpents » (1948), et à « L'Héritage de la Chair » (1949), Zanuck rétablit la réputation de l'entreprise avec des films plus dramatiques et adultes. 20th Century-Fox se spécialise aussi dans les adaptations de livres avec le romancier Ben Ames Williams ou encore « Péché Mortel » (1945), qui favorise l'ascension de la société. Ils développent également des comédies musicales de Broadway comme la version musicale de « State Fair » en 1945 remake du film du même nom sorti en 1933. Suivra aussi l'année suivante « La Mélodie du Bonheur » (1946) et bien plus tard « Carousel »(1956), et « Le Roi et Moi » (1956). Ils distribuent, sans produire, « Oklahoma ! » (1955) avec le CinémaScope et en 1958 « South Pacific ».

En 1953, le succès de « La Tunique » est si grand qu'en février, Zanuck annonce que tous les films de 20th Century-Fox seront désormais projetés en CinémaScope.
En 1956, Darryl Zanuck annonce sa démission en tant que chef de production sans raisons officielles.
Son successeur, le producteur Buddy Adler, meurt un an plus tard. Le président Spyros Skouras essaie de faire venir de nouveaux directeurs de production, mais aucun n'obtient le succès de Zanuck; c'est pourquoi la société se retrouve en difficulté dans les années 60.
Un remake du film « Cléopâtre » de 1917 est commencé avec Joan Collins en tête d'affiche mais le producteur Walter Wanger décide d'offrir un million de dollars à Elizabeth Taylor pour qu’elle devienne la star du film, ce qu'elle accepte. Très vite les coûts liés à la production du long-métrage commencent à grimper.
Entre-temps, un remake de « Mon Épouse Favorite » (1940) intitulée « Something's Got to Give » avec Marilyn Monroe et Dean Martin entre en production pour faire de rapides bénéfices et permettre à 20th Century-Fox de « survivre ». Malheureusement le tournage prend du retard et provoque une montée en flèche de son budget. En 1961 à cause du budget du film « Cléopâtre », qui franchit le seuil des dix millions de dollars, 20th Century-Fox décide de vendre une partie de ses bâtiments dans le but de se refaire une trésorerie.
Peu après, Skouras propose à Zanuck un film épique sur la guerre, une production à très gros budget, avec un casting prestigieux et dont le sujet traitera du Débarquement des Alliés en Normandie le 6 juin 1944. Son titre ? « Le Jour le Plus Long ». Avec une durée de plus de trois heures, ce long-métrage est encore considéré aujourd'hui comme l'un des films les plus réussis sur la Seconde Guerre Mondiale.

Plus tard, Zanuck est nommé président mais, est remplacé par son fils Richard D. Zanuck. Ce nouveau groupe de gestion de l'entreprise se ressaisit du film « Cléopâtre » et en achève le tournage. Il sortira en 1963.  
20th Century-Fox produit également deux grands films de science-fiction dans les années 60 : « Le Voyage Fantastique » (1966), et « La Planète des Singes » qui met en vedette Charlton Heston en 1968.
Zanuck fils demeure dans l'entreprise jusqu'en 1971, malgré plusieurs échecs entraînant des pertes au début des années 70.  À la suite de son expulsion, 20th Century-Fox est de nouveau sur les rails. 20th Century-Fox sort plusieurs films, séduisant un public de plus en plus large.
Fin 1973, 20th Century-Fox s'associe à Warner Bros. pour coproduire « La Tour infernale » (1974), une superproduction d'action. Les coproductions étant choses risquées dans les années 70, elle porta ses fruits au box-office mondial. En 1977, 20th Century-Fox produit le film le plus rentable de cette époque : « Star Wars »  qui engendra plus de 775 millions de dollars.

En 1981, 20th Century-Fox est vendu pour plus de 700 millions de dollars aux investisseurs Marc Rich et Marvin Davis. En 1984, Davis vends la moitié des parts de 20th Century-Fox détenu par Rich à News Corporation, appartenant à Rupert Murdoch. Six mois plus tard, Davis vend la moitié de ses actions à News Corp., donnant à Murdoch le contrôle complet du studio. Pour sauver celui-ci, Murdoch embauche Barry Diller de Paramount Pictures.
Depuis janvier 2000, 20th Century Fox est le distributeur international des films de United Artists et de la Metro-Goldwyn-Mayer, et depuis 2006, du catalogue entier de films de ces deux sociétés. Dans les années 1980, 20th Century Fox distribue aussi de nombreux films indépendants, ce qu’elle continue à faire aujourd’hui avec sa filiale Searchlight Pictures.
En 2008, 20th Century Fox annonce la création d'une filiale en Asie, Fox STAR Studios, pour créer la chaîne Star TV, toujours détenue par News Corporation.
En 2009, le nouveau chef-d’œuvre de James Cameron « Avatar » révolutionne le cinéma 3D, et, est numéro un au box-office mondial avec plus de 2,7 milliards de dollars de recettes. Il sera nommé aux Oscars dans neuf catégories (dont celui du Meilleur Film) en 2010, et en remportera trois.
En août 2012, 20th Century Fox signe un contrat de cinq ans avec DreamWorks Animation pour distribuer ces films sur le marché mondial. Ce contrat se terminera en juin 2017 avec la sortie de « Capitaine Superslip ». 
La même année, Rupert Murdoch annonce que News Corporation serait divisé en deux sociétés distinctes : News Corp. pour l’actualité et 21st Century Fox pour l’exploitation de Fox Entertainment et 20th Century Fox. 
En juin 2017, Stacey Snider prend la présidence de 20th Century Fox à la place de Jim Gianopoulos, et cela, juste avant le coup de tonnerre qui allait secouer Hollywood. 
En effet, le 14 décembre 2017, The Walt Disney Company annonce son intention d'acheter 21st Century Fox, maison mère de 20th Century Fox, pour 52,4 milliards de dollars. Après de nombreux rebondissements, le rachat par The Walt Disney Company est finalisé le 20 mars 2019 pour 71,3 milliards de dollars. 

Le 17 janvier 2020, 20th Century Fox, devient 20th Century Studios et perd l’historique « Fox » dans le but d’éviter les confusions avec la société Fox Corporation.