Pierwszy koncert w wykonaniu Filharmonii Warszawskiej odbył się 5 listopada 1901 roku w nowo wybudowanym gmachu. Orkiestrą dyrygował współzałożyciel Filharmonii, jej pierwszy dyrektor muzyczny i dyrygent Emil Młynarski, a jako solista wystąpił Ignacy Jan Paderewski, jeden z fundatorów instytucji. 

Filharmonia Warszawska w krótkim czasie osiągnęła wysoki poziom i zaczęła przyciągać wybitnych artystów z całego świata. Już przed pierwszą wojną światową i w okresie międzywojennym stała się głównym ośrodkiem życia muzycznego w Polsce oraz jedną z najbardziej liczących się instytucji muzycznych w Europie. Wystąpili tutaj niemal wszyscy słynni dyrygenci i soliści tamtych czasów, m.in.: Claudio Arrau, Edvard Grieg, Arthur Honegger, Vladimir Horowitz, Bronisław Huberman, Wilhelm Kempff, Otto Klemperer, Siergiej Prokofiew, Siergiej Rachmaninow, Maurice Ravel, Artur Rodziński, Artur Rubinstein, Pablo Sarasate, Richard Strauss. 

W pierwszych latach powojennych Filharmonią Warszawską kierowali m.in. Olgierd Straszyński i Andrzej Panufnik. W styczniu 1950 dyrektorem i głównym dyrygentem został Witold Rowicki, który podjął się dzieła zorganizowania nowego zespołu. 

21 lutego 1955 nastąpiło otwarcie nowego gmachu Filharmonii przy ul. Jasnej, wzniesionego w miejscu jej wcześniejszej siedziby, częściowo zniszczonej przez bomby niemieckie. W tym dniu Filharmonia Warszawska otrzymała miano Filharmonii Narodowej. W latach 1955–58 Orkiestrą kierował Bohdan Wodiczko, wybitny promotor muzyki współczesnej, z którym współpracowali m.in. Arnold Rezler i Stanisław Skrowaczewski. Skład Orkiestry został wówczas zmieniony i powiększony. Ogromne powodzenie, jakim cieszyły się wykonania muzyki XX wieku, przyczyniło się do powstania Międzynarodowego Festiwalu Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”. 

W 1958 Witold Rowicki został ponownie mianowany dyrektorem artystycznym i pierwszym dyrygentem Filharmonii. Stanowisko to piastował do 1977. Jako dyrygenci współpracowali w tym czasie z Filharmonią Stanisław Wisłocki i Andrzej Markowski. W okresie sprawowania funkcji dyrektora przez Rowickiego zagraniczne wyjazdy koncertowe i występy w prestiżowych salach na całym świecie weszły na stałe do harmonogramu artystycznych działań Orkiestry. 

1 lipca 1977 dyrektorem artystycznym i dyrygentem Filharmonii Narodowej został Kazimierz Kord, który zajmował to stanowisko do obchodów stulecia Filharmonii w Warszawie w 2001. W latach 1979–90 stanowisko zastępcy dyrektora i dyrygenta Filharmonii Narodowej zajmował Tadeusz Strugała. Kazimierz Kord od początku swojej pracy z Orkiestrą kładł nacisk na wzbogacenie repertuaru, dzięki czemu w programie kolejnych sezonów artystycznych znalazły się nie tylko dzieła symfoniczne, lecz także wielkie formy oratoryjne i operowe, jak również wiele utworów muzyki współczesnej. 

Od 2002 do 2013 funkcje dyrektora naczelnego i artystycznego Filharmonii Narodowej pełnił Antoni Wit, który kontynuował linię repertuarową swojego poprzednika, wzbogacając ją o jeszcze większą obecność muzyki polskiej, często wykonywanej przez zagranicznych artystów. Pod jego batutą zespoły Filharmonii Narodowej nagrały ponad pięćdziesiąt płyt, w tym prawie czterdzieści dla wytworni Naxos. Płyty otrzymały szereg nagród z prestiżową Grammy na czele, a zawierały głównie dzieła polskich kompozytorów (Karłowicz, Szymanowski, Lutosławski, Penderecki, Górecki, Kilar). Antoni Wit swoją kadencję zakończył występem z Orkiestrą Filharmonii Narodowej (po raz pierwszy w jej historii) na festiwalu BBC Proms w Londynie w sierpniu 2013. 

W sezonie 2013/2014 stanowisko dyrektora artystycznego – odpowiedzialnego za rozwój zespołów, kształtowanie repertuaru i dobór artystów gościnnych – objął Jacek Kaspszyk. Historyczny koncert pod jego batutą z udziałem Krystiana Zimermana podczas Warszawskiej Jesieni 2013 stał się jedną z kulminacji Roku Lutosławskiego (wykonano: Koncert fortepianowy i III Symfonię Lutosławskiego) i otrzymał nagrodę Koryfeusz Muzyki Polskiej w kategorii wydarzenie. Jacek Kaspszyk poprowadził również pierwsze w historii Filharmonii koncerty transmitowane przez internet. Orkiestra pod jego batutą nagrała sześć płyt dla wytwórni Warner Classics i Deutsche Grammophon. Od sezonu 2019/2020 funkcję dyrektora artystycznego pełni Andrzej Boreyko. 

Orkiestra Filharmonii Narodowej odbyła niemal sto pięćdziesiąt tournée na pięciu kontynentach. Występowała we wszystkich najważniejszych salach koncertowych świata, gorąco oklaskiwana przez słuchaczy i chwalona przez krytyków muzycznych za doskonałe, charyzmatyczne wykonania. Zespół uczestniczył również w wielu prestiżowych międzynarodowych festiwalach, m.in. w Wiedniu, Berlinie, Pradze, Bergen, Lucernie, Montreux, Moskwie, Brukseli, Florencji, Bordeaux, Atenach, Nantes, Bilbao, Lizbonie i Tokio. Orkiestra Filharmonii Narodowej regularnie towarzyszy finalistom Międzynarodowego Konkursu Pianistycznego im. Fryderyka Chopina, bierze udział w Międzynarodowym Festiwalu Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”, Festiwalu Chopin i jego Europa czy Wielkanocnym Festiwalu Ludwiga van Beethovena. Nagrywa dla Polskiego Radia, polskich i zagranicznych firm płytowych oraz na potrzeby filmu.