Pierwszy koncert w wykonaniu Filharmonii Warszawskiej odbył się 5 listopada 1901 w nowo wybudowanym gmachu. Orkiestrą dyrygował współzałożyciel Filharmonii, jej pierwszy dyrektor muzyczny i dyrygent Emil Młynarski, a jako solista wystąpił Ignacy Jan Paderewski. Już przed I wojną światową i w okresie międzywojennym stała się ona głównym ośrodkiem życia muzycznego w Polsce oraz jedną z ważniejszych instytucji muzycznych w Europie. 

W pierwszych latach po II wojnie światowej koncerty orkiestry odbywały się w teatrach i halach sportowych. 21 lutego 1955 instytucja otrzymała status Filharmonii Narodowej i nowy gmach w miejsce wcześniejszej siedziby zniszczonej przez naloty niemieckie. Pod kierownictwem Witolda Rowickiego odzyskała prestiż wiodącego zespołu symfonicznego w Polsce. W latach 1955–58 funkcję dyrektora artystycznego sprawował Bohdan Wodiczko, by przekazać ją ponownie Rowickiemu. W 1977 stanowisko to objął Kazimierz Kord, a od stycznia 2002 do sierpnia 2013 dyrektorem naczelnym i artystycznym Filharmonii Narodowej był Antoni Wit. Od 1 września 2013 do września 2019 funkcję dyrektora artystycznego pełnił Jacek Kaspszyk. Od sezonu 2019/2020 stanowisko to sprawuje Andrzej Boreyko.

Dziś Orkiestra Filharmonii Narodowej cieszy się popularnością i uznaniem na całym świecie. Odbyła niemal 150 tournée na pięciu kontynentach, występowała w najważniejszych salach koncertowych świata. Regularnie towarzyszy nalistom Międzynarodowych Konkursów Pianistycznych im. Fryderyka Chopina w Warszawie, bierze udział w festiwalu Warszawska Jesień, a także w prestiżowych zagranicznych festiwalach, m.in. BBC Proms w Londynie, Praska Wiosna, La Folle Journée w Nantes, Bilbao, Lizbonie, Tokio, w Wiedniu, Berlinie, Bergen, Lucernie, Montreux, Moskwie, Brukseli, Florencji, Bordeaux i Atenach. Nagrywa dla Polskiego Radia i Telewizji, polskich i zagranicznych firm płytowych oraz na potrzeby filmu. Dokonania Orkiestry Filharmonii Narodowej były wielokrotnie nagradzane prestiżowymi nagrodami fonograficznymi, m.in. Grammy 2013 i 2017 oraz sześcioma innymi nominacjami do tej nagrody za nagrania dzieł oratoryjnych Krzysztofa Pendereckiego i Karola Szymanowskiego, Diapason d’Or, ICMA, Gramophone, Record Geijutsu, Classical Internet Award, Cannes Classical Award, Fryderyki. Od 2016 Filharmonia Narodowa cyklicznie transmituje wybrane koncerty przez internet.