Historia orkiestry 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 miała udział w promowaniu polskiej muzyki na forum międzynarodowym.

W 1945, po pożodze wojennej, dyrygent i skrzypek Stefan Rachoń stworzył w Warszawie Orkiestrę Polskiego Radia – od tego momentu rozpoczyna się historia Zespołu. Orkiestra pod dyrekcją Stefana Rachonia nie tylko organizowała koncerty, ale także dokonywała wielu nagrań, również na potrzeby Telewizji Polskiej. Przez trzydzieści lat większość repertuaru stanowiła wówczas muzyka popularna i rozrywkowa. W połowie lat 70. w profilu artystycznym orkiestry zaczęły zachodzić istotne zmiany. Kierujący nią w latach 1976–1980 Włodzimierz Kamirski konsekwentnie wprowadzał nowy repertuar, dążąc
do przekształcenia zespołu w orkiestrę symfoniczną. Jego pracę kontynuowali Jan Pruszak (1980–1988) oraz Mieczysław Nowakowski (1988–1990).
W 1990, za kadencji Tadeusza Strugały (1990–1993), jako Polska Orkiestra Radiowa zespół rozpoczął próby i koncerty w nowej siedzibie – Studiu 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, podczas których prezentowano głównie muzykę polskich kompozytorów. 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 i 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.

Zgodnie z wieloletnią tradycją kolejne sezony 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, Hrabina Moniuszki oraz Hagith Szymanowskiego. Wykonanie tego ostatniego dzieła zostało zarejestrowane na płycie CD (za tę właśnie płytę orkiestra otrzymała nagrodę Fryderyk 2020 w kategorii Album Roku – Muzyka Oratoryjna i Operowa).

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. W 2019 roku zespół nagrał Msze Stanisława Moniuszki zgodnie z oryginalnym zapisem kompozytora, tj. z udziałem orkiestry. Za tę płytę orkiestra otrzymała Nagrodę Stowarzyszenia Wydawców Katolickich Feniks 2020 w kategorii Muzyka Chrześcijańska Klasyczna.

Orkiestrą Polskiego Radia w Warszawie z wielkim powodzeniem dyrygowali między innymi: Jerzy Maksymiuk, Jacek Kaspszyk, Antoni Wit, Jan Krenz, Marek Moś, Mikhail Agrest czy Daniel Raiskin. Zespół może pochwalić się znakomitymi wykonaniami koncertowymi oraz nagraniami z udziałem wybitnych solistów, między innymi: Iwony Hossy, Izabelli Kłosińskiej, Aleksandry Kurzak, Olgi Pasiecznik, Ewy Podleś, Jadwigi Rappé, Małgorzaty Walewskiej, Piotra Beczały, Tomasza Koniecznego, Mariusza Kwietnia, Artura Rucińskiego, Krzysztofa i Jakuba Jakowiczów, Konstantego Andrzeja Kulki, Rafała Blechacza, Charlesa Richarda-Hamelina, Krzysztofa Jabłońskiego, Piotra Palecznego, 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 np. Bezdomną jaskółkę Szymona Laksa w oryginalnej francuskiej wersji językowej czy operę Monbar, czyli Fllibusterowie Ignacego Feliksa Dobrzyńskiego. 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), zaś płyta nagrana z wiolonczelistą Dominikiem Połońskim otrzymała nagrodę Fryderyk 2007.

Ważną częścią działalności orkiestry jest wykonawstwo muzyki rozrywkowej i filmowej. W ciągu ostatnich lat zespół nagrał między innymi muzykę Antoniego Komasy Łazarkiewicza do filmu Filipa Bajona Kamerdyner. Płyta CD z muzyką do tego filmu otrzymała nagrodę Fryderyk 2019 w kategorii Muzyka Ilustracyjna. Od lat Orkiestra Polskiego Radia w Warszawie wykonuje koncerty z muzyką filmową, w tym między innymi monograficzne koncerty poświęcone twórczości filmowej Wojciecha Kilara i Hansa Zimmera, a także tematyczne koncerty muzyki filmowej. Orkiestra wielokrotnie występowała na koncertach podczas renomowanych festiwali i konkursów takich jak: Festiwal Witolda Lutosławskiego „Łańcuch”, Międzynarodowy Festiwal „Szalone Dni Muzyki”, Wielkanocny Festiwal Ludwiga van Beethovena, Międzynarodowy Konkurs Wiolonczelowy im. Witolda Lutosławskiego czy Międzynarodowy Festiwal Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”.

29 maja 2019 roku Zespół po trzech dekadach działalności jako Polska Orkiestra Radiowa wrócił do swojej historycznej nazwy – obecnie funkcjonuje jako Orkiestra Polskiego Radia w Warszawie i jest jedynym zespołem artystycznym w strukturze narodowego nadawcy radiowego – Polskiego Radia S.A.