Gearbox Software est fondé en février 1999. Dès l'origine, le studio se spécialise dans les jeux de tir à la première personne, en particulier sur PC. Ainsi, leur premier titre est Half-Life : Opposing Force, extension pour le premier Half-Life. Gearbox sort ensuite deux autres extensions pour le jeu (Half-Life : Blue Shift et Half-Life : Decay) et s'occupe du portage du jeu vers la PS2. Fort de cette expérience acquise auprès de Valve, Gearbox s'occupe ensuite des versions PC de Tony Hawk's Pro Skater 3 (pour Activision), de James Bond 007 : Nightfire (Electronic Arts) et de Halo : Combat Evolved (pour Microsoft) avant de finaliser le développement de Counter-Strike : Condition Zero, à nouveau pour le compte de Valve.
C'est en 2005 que Gearbox développe sa première licence originale, éditée par Ubisoft : Brothers in Arms. Gearbox est impliqué dans le développement de 6 jeux pour cette licence entre 2005 et 2008 ; seules les versions mobiles sont développées sans l'aide de Gearbox. Dans le même temps, le studio s'occupe du portage Wii de Samba de Amigo, jeu initialement sorti sur Dreamcast, pour Sega.
Néanmoins, c'est en 2009 que le studio texan prend véritablement son envol, avec la sortie de Borderlands. La licence éditée par Take-Two Interactive révolutionne le genre du jeu de tir à la première personne grâce à l'inspiration puisée dans plusieurs genres différents (RPG, Hack'n'slash). Fort d'une durée de vie très conséquente, d'une écriture percutante et d'un gameplay soigné, le jeu est un succès, tant commercial que critique. Sa suite, Borderlands 2 (sorti en 2012), est à ce jour le jeu édité par 2K (l'un des deux labels de Take-Two Interactive, l'autre étant Rockstar) le plus vendu, avec plus de 13 millions de copies écoulées. Le troisième jeu de la série, Borderlands : The Pre-Sequel (sorti en 2014) est principalement développé par 2K Australia. Gearbox supervise le développement du jeu, mais préfère se consacrer à d'autres projets, préférant attendre avant d'attaquer la création d'un Borderlands 3.
En effet, en dépit de ce succès, Gearbox Software se diversifie pendant cette période. Le studio développe deux jeux Alien pour Sega, Alien : Infestation puis Alien : Colonial Marines. En 2010, il rachète les droits de la licence Duke Nukem et sort Duke Nukem Forever un an plus tard, à nouveau avec Take-Two comme éditeur. Gearbox rachète également la licence Homeworld en 2014. Il en profite pour publier Homeworld : Remastered en 2015, puis Homeworld : Deserts of Kharak en 2016. Ces deux jeux ont pour particularité d'être les premiers titres directement édités par Gearbox Software. Enfin, le dernier jeu de la société est Battleborn, une nouvelle licence éditée par Take-Two dont la sortie est prévue pour le 03 mai 2016.
En somme, Gearbox Software a travaillé avec de nombreux éditeurs différents. Profitant initialement de son expertise concernant le jeu PC et les jeux de tir en particulier, le studio texan a peu à peu gagné en indépendance, développant ses propres franchises et en rachetant d'autres depuis la fin des années 2000.