Santa Cruz ble grunnlagt 1561 av hærstyrker fra Paraguya. Etter konflikter med indianske urbefolkningsgrupper ble byen flyttet til bredden av elva Piraí i 1592. Før 1900 var byen relativt isolert i Bolivia. Tidlig på 1900-tallet ble det anlagt jernbane til Brasil og Argentina. På 1920 ble også oljeindustrien utviklet. På 1950 fikk Santa Cruz veiforbindelse til Cochabamba og med det ble forbundet resten av Bolivia. og er kjent for å ha mange bygninger fra den spanske kolonitiden.