Historia orkiestry w Polskim Radiu sięga roku 1934. Chcąc wypełnić czas antenowy muzyką i wzorując się na innych europejskich radiofoniach, dyrekcja Polskiego Radia zdecydowała o powołaniu własnych chórów i zespołów muzycznych. Najważniejszym z nich stała się Orkiestra Symfoniczna Polskiego Radia w Warszawie, stworzona przez Grzegorza Fitelberga.
Budując repertuar nowego zespołu położono duży nacisk na dokumentowanie kultury muzycznej we wszystkich jej wymiarach – klasyki symfonicznej, muzyki estradowej i utworów najnowszych. Dzięki wymianie z zagranicznymi rozgłośniami, orkiestra odgrywała także ważną rolę w promowaniu polskiej muzyki na forum międzynarodowym.
W 1945, po pożodze wojennej Stefan Rachoń – dyrygent i skrzypek, reaktywował, Orkiestrę Polskiego Radia, nie tylko organizując koncerty, ale także dokonując wielu nagrań, również na potrzeby Telewizji Polskiej. Przez trzydzieści lat większość repertuaru stanowiła wtedy muzyka popularna i rozrywkowa.
W połowie lat 70. w profilu artystycznym orkiestry zaczęły zachodzić istotne zmiany. Kierujący nią w latach 1976–80 Włodzimierz Kamirski konsekwentnie wprowadzał nowy repertuar, dążąc do przekształcenia zespołu w orkiestrę symfoniczną. Jego pracę kontynuowali Jan Pruszak (1980–88) oraz Mieczysław Nowakowski (1988–90).
W 1990 za kadencji Tadeusza Strugały (1990–1993), jako Polska Orkiestra Radiowa, muzycy rozpoczęli próby i koncerty w nowej siedzibie – Studio Koncertowym Polskiego Radia im. Witolda Lutosławskiego.
Lepsze warunki pracy i osiągnięty wysoki poziom artystyczny pozwoliły za kadencji dyrektora artystycznego Wojciecha Rajskiego (1993–2006) z powodzeniem organizować zagraniczne podróże koncertowe zespołu (Francja, Włochy, Szwajcaria, Szwecja, Czechy, Holandia, Luksemburg, Austria, Hiszpania, Niemcy, Łotwa). Wszędzie tam orkiestra promowała muzykę polską, otrzymując pozytywne recenzje miejscowych krytyków.
W latach 2007–2015 zespołem kierował Łukasz Borowicz. Za jego kadencji tradycją stało się rozpoczynanie kolejnych sezonów artystycznych koncertowym wykonaniem nieznanych lub zapomnianych polskich oper. Wśród nich znalazły się m.in. Maria Statkowskiego, Flis, Verbum nobile Moniuszki, Monbar czyli Flibustierowie Dobrzyńskiego, czy Zemsta za mur graniczny Noskowskiego.
W 2015 dyrektorem artystycznym orkiestry został Michał Klauza. Dynamika rozwoju profesjonalizmu wykonawczego wiąże program zespołu z realizowaniem podstawowej misji Polskiego Radia, toteż muzyka polska stanowi główny nurt jego działalności. Kolejne sezony, zgodnie z wieloletnią tradycją, rozpoczynały się koncertowymi wykonaniami dzieł wokalno-instrumentalnych polskich kompozytorów – zamówionymi przez dyrekcję Programu 2 Polskiego Radia: Zélis i Valcour, czyli Bonaparte w Kairze Ogińskiego, Powrót syna marnotrawnego Nowowiejskiego, Szarlatan, czyli wskrzeszanie umarłych Kurpińskiego oraz Hagith Karola Szymanowskiego, której wykonanie zostało zarejestrowane na płycie. Za kadencji Michała Klauzy Polskie Radio wydało też pierwsze w historii fonografii nagrania utworów symfonicznych Henryka Warsa: Maalot, Szkice miejskie, Koncert na fortepian i orkiestrę oraz I Symfonię. Zostały one wykonane na podstawie partytur odkrytych przez wdowę Elżbietę Wars pod koniec lat 90.
Orkiestrą Polskiego Radia w Warszawie z wielkim powodzeniem dyrygowali między innymi Jerzy Maksymiuk, Jacek Kaspszyk, Antoni Wit, Jan Krenz, Tadeusz Strugała, Jose Maria Florencio, Marek Moś, Paweł Przytocki, Andrzej Straszyński, Christian Vásquez, Mikhail Agrest, Daniel Raiskin, Jonathan Brett, Amos Talmon, Murad Annamamiedow, Christoph Campestrini, Daniel Inbal, Guillaume Touirniaire.
Zespół może pochwalić się znakomitymi wykonaniami koncertowymi oraz nagraniami z udziałem wybitnych solistów, między innymi: Iwony Hossy, Izabelli Kłosińskiej, Aleksandry Kurzak, Olgi Pasiecznik, Anny Lubańskiej, Ewy Podleś, Jadwigi Rappé, Małgorzaty Walewskiej, Piotra Beczały, Tomasza Koniecznego, Mariusza Kwietnia, Artura Rucińskiego, Krzysztofa i Jakuba Jakowiczów, Konstantego Andrzeja Kulki, Bartosza Koziaka, Rafała Kwiatkowskiego, Mariusza Patyry, Dominika Połońskiego, Tomasza Strahla, Łukasza Długosza, Rafała Blechacza, Charlesa Richarda-Hamelina, Krzysztofa Jabłońskiego, Piotra Palecznego, Piotra Orzechowskiego, Dang Thai Sona.
Ostatnie 30 lat działalności to okres, gdy do głównych zadań zespołu włączono realizację nagrań płytowych z polską muzyką symfoniczną i operową. Okazją były najczęściej ważne rocznice np. w sezonie 2008/2009 przypomniano i spopularyzowano operę Maria Romana Statkowskiego. W kolejnych latach orkiestra przygotowała i przypomniała współczesnej publiczności również inne zapomniane arcydzieła muzyki europejskiej np. Bezdomną jaskółkę Szymona Laksa w oryginalnej francuskiej wersji językowej, czy operę Monbar czyli Fllibusterowie Ignacego Feliksa Dobrzyńskiego. Nagrana płyta z solowym udziałem Dominika Połońskiego, otrzymała w 2007 nagrodę Fryderyk. Dla uczczenia 100. rocznicy urodzin i 40. rocznicy śmierci Grażyny Bacewicz zostały nagrane i wydane jej trzy koncerty skrzypcowe oraz opera radiowa Przygoda króla Artura. Radiowe rejestracje utworów Andrzeja Panufnika pod dyrekcją Łukasza Borowicza zostały wydane na czterech płytach, a w styczniu 2015 uhonorowane nagrodą International Classical Music Award (ICMA).
Orkiestra Polskiego Radia w Warszawie z powodzeniem gra również muzykę rozrywkową i filmową. Koncertowała i nagrywała między innymi z zespołami Perfect, De Mono. Z orkiestrą wystąpili: Zbigniew Wodecki (album Wodecki Mitch&Mitch zdobył status „Złotej Płyty”), Krzysztof Herdzin, Henryk Miśkiewicz, Janusz Stokłosa, Michał Urbaniak. Od kilkudziesięciu lat orkiestra bierze udział w Krajowym Festiwalu Polskiej Piosenki w Opolu.
Orkiestra wielokrotnie występowała na koncertach w ramach renomowanych festiwali i konkursów: Festiwal Witolda Lutosławskiego Łańcuch, Międzynarodowy Festiwal Szalone Dni Muzyki, Wielkanocny Festiwal Ludwiga van Beethovena, Międzynarodowy Konkurs Wiolonczelowego im. Witolda Lutosławskiego, Finał Krajowych Eliminacji Konkursu Eurowizji Młody Muzyk Roku, Festiwal Muzyki Współczesnej Warszawska Jesień, Laboratorium Muzyki Współczesnej, Warszawskie Spotkania Muzyczne, Festiwal Muzyki Oratoryjnej Musica Sacromontana,
Orkiestra Polskiego Radia w Warszawie jest obecnie jedynym zespołem artystycznym w strukturze narodowego nadawcy radiowego – Polskiego Radia S.A.
