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. Już przed I wojną światową i w okresie międzywojennym stała się 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 roku, w miejsce wcześniejszej siedziby zniszczonej nalotami niemieckimi, otrzymała odbudowany gmach i status Filharmonii Narodowej. Pod kierownictwem Witolda Rowickiego orkiestra odzyskała swój prestiż wiodącego zespołu symfonicznego w Polsce. W latach 1955-58 funkcję jej dyrektora artystycznego sprawował Bohdan Wodiczko, by przekazać ją ponownie Rowickiemu. W 1977 roku stanowisko to objął Kazimierz Kord, a od stycznia 2002 do sierpnia 2013 roku dyrektorem naczelnym i artystycznym Filharmonii Narodowej był Antoni Wit. Od 1 września 2013 roku funkcję dyrektora artystycznego pełni Jacek Kaspszyk.
Dziś Orkiestra Filharmonii Narodowej cieszy się popularnością i uznaniem na całym świecie. Odbyła niemal 150 tournées na pięciu kontynentach, występowała we wszystkich najważniejszych salach koncertowych świata. Regularnie towarzyszy finalistom Międzynarodowych Konkursów Pianistycznych im. F. Chopina w Warszawie oraz bierze udział w Festiwalu „Warszawska Jesień” i prestiżowych zagranicznych festiwalach. Nagrywa dla Polskiego Radia i telewizji, polskich i zagranicznych firm płytowych oraz na potrzeby filmu. Dokonania Orkiestry Filharmonii Narodowej bywały wielokrotnie nagradzane prestiżowymi nagrodami fonograficznymi: m.in. Grammy Award 2013 oraz sześć innych nominacji 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. Zespół uczestniczył również w wielu prestiżowych międzynarodowych festiwalach, m.in. w Wiedniu, Berlinie, Pradze, Bergen, Lucernie, Montreux, Moskwie, Brukseli, Florencji, Bordeaux i Atenach, w festiwalu „La Folle Journée” w Nantes, Bilbao, Lizbonie, Tokio, BBC Proms w Londynie. Od 2016 roku Filharmonia Narodowa cyklicznie transmituje wybrane koncerty przez Internet.