Năm 2001, hãng Sony Pictures cân nhắc tới việc bán lại Sony Pictures Imageworks. Sau khi không tìm được bên mua, đồng thời ấn tượng với các phân cảnh CGI trong phim hoạt hình Chuột con thông minh 2, cùng với những thành công phòng vé của Shrek của DreamWorks Animation và Công ty Quái vật của Disney|Pixar, SPI bắt đầu được định hình lại để trở thành một xưởng phim hoạt hình. Siêu nhí Astro, một dự án phim vốn được Sony phát triển từ năm 1997 theo chiều hướng phim người đóng, lại được lựa chọn làm phim hoạt hình CGI đầu tiên của SPI.[3] Ngày 9 tháng 5 năm 2002, Sony Pictures Animation được thành lập để phát triển nhân vật, cốt truyện và các phim điện ảnh, và SPI thì sẽ chuyên môn về sản xuất kỹ thuật số và kỹ xảo điện ảnh.[4] Cùng lúc đó, SPI sản xuất hai phim ngắn, phim ngắn đạt Giải Oscar cho Phim hoạt hình ngắn hay nhất The ChubbChubbs!, và phim ngắn Early Bloomer, một kết quả của việc thứ nghiệm những điểm mạnh và điểm yếu trong công tác sản xuất phim hoạt hình CGI.[5] Vào ngày kỷ niệm một năm thành lập xưởng phim 9 tháng 5 năm 2003, Sony Pictures Animation công bố các dự án phim điện ảnh hoạt hình đang trong quá trình phát triển, bao gồm Mùa săn, Cơn mưa thịt viên, Surf's Up, và một phiên bản điện ảnh dài đầy đủ của phim ngắn The ChubbChubbs!.[6]

Phim điện ảnh đầu tiên của xưởng phim là Mùa săn được công chiếu vào tháng 9 năm 2006, trở thành phim có doanh thu giải trí tại gia cao thứ nhì của hãng Sony trong năm 2007, và cũng là nền móng cho hai phần phim tiếp nối được phát hành dưới dạng direct-to-video. Phim điện ảnh thứ hai của xưởng phim, Surf's Up, được ra mắt vào tháng 6 năm 2007, đã nhận được một đề cử từ Giải Oscar cho Phim hoạt hình hay nhất, và đồng thời cũng thắng hai Giải Annie. Bộ phim 3D đầu tiên của SPA kể từ lần phát hành định dạng IMAX 3D của Mùa săn là Cơn mưa thịt viên được phát hành vào tháng 9 năm 2009, và phim đã nhận được bốn đề cử Giải Annie, bao gồm giải Phim hoạt hình xuất sắc nhất. Tháng 9 năm 2012 2012, SPA cho ra mắt Khách sạn huyền bí với tổng doanh thu toàn cầu 350 triệu USD và là khởi đầu cho thương hiệu điện ảnh với hai phần phim tiếp nối và một phim truyền hình.