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.
Filharmonia Warszawska w krótkim czasie osiągnęła wysoki poziom, przyciągając wybitnych artystów z całego świata. Już przed I 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 roku dyrektorem i głównym dyrygentem został Witold Rowicki, który podjął się dzieła zorganizowania nowego zespołu. Pomimo trudnych warunków pracy, związanych z brakiem własnej siedziby (koncerty odbywały się m.in. w halach sportowych i teatrach), Orkiestra, dzięki staraniom Rowickiego, stała się wiodącym zespołem w Polsce. 21 lutego 1955 roku nastąpiło otwarcie nowego gmachu Filharmonii przy ul. Jasnej wzniesionego w miejscu jej wcześniejszej siedziby zniszczonej nalotami niemieckimi. W tym dniu Filharmonia Warszawska otrzymała miano Filharmonii Narodowej. Nazwa ta podkreślała status najważniejszej instytucji muzycznej, jaki Filharmonia posiadała w Polsce.
W latach 1955-58 Orkiestrą kierował Bohdan Wodiczko, wybitny promotor muzyki współczesnej, z którym współpracowali między innymi Arnold Rezler i Stanisław Skrowaczewski. Skład Orkiestry został wówczas zmieniony i powiększony. Ogromne powodzenie, jakim cieszyły się wykonania muzyki XX wieku, doprowadziło do powstania w Filharmonii Narodowej Międzynarodowego Festiwalu Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”, który z czasem stał się jednym z najważniejszych festiwali tego rodzaju na świecie. W 1958 roku Witold Rowicki został ponownie mianowany dyrektorem artystycznym i pierwszym dyrygentem Filharmonii. Stanowisko to piastował do 1977 roku. 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 roku dyrektorem artystycznym i dyrygentem Filharmonii Narodowej został Kazimierz Kord, który zajmował to stanowisko do obchodów stulecia Filharmonii w Warszawie w 2001 roku. 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. Nowym przedsięwzięciem był cykl koncertów „Filharmonia Narodowa prezentuje”, nagrywanych na żywo i utrwalanych na płytach przez Polskie Nagrania, a także koncerty z udziałem dyplomantów Akademii Muzycznej w Warszawie. Kazimierz Kord wraz z Witoldem Lutosławskim byli pomysłodawcami krótkich, kilkudniowych festiwali muzyki współczesnej, których punktem wyjścia była idea spotkania rożnych dyscyplin sztuki. Pierwszy taki festiwal odbył się już po śmierci kompozytora i na jego cześć został nazwany „Forum Lutosławskiego”, kontynuowany w cyklu corocznym, następnie dwuletnim, do jubileuszowego Roku Lutosławskiego 2013.
Od 2002 do 2013 roku 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 50 płyt, w tym prawie 40 dla wytworni Naxos. Płyty otrzymały szereg nagród z prestiżową Grammy 2013 na czele, a prezentowały głownie 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.
Od sezonu 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 Warner Classics: z dziełami Weinberga (2014), Brahmsa i Bacha – w orkiestracji Schönberga (2015), Szymanowskiego (2017), z koncertami skrzypcowymi Wieniawskiego i Szostakowicza z solistką Bomsori Kim (2017), album z muzyką polską (Młynarski, Weinberg, Penderecki, 2018) oraz dla Deutsche Grammophon z dziełami Chopina, gdzie solistą był Ingolf Wunder (2015).
Od sezonu 2019/2020 funkcję Dyrektora Artystycznego objął Andrzej Boreyko.
Orkiestra Filharmonii Narodowej odbyła niemal 150 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 i Atenach, w Nantes (La Folle Journee), Bilbao, Lizbonie i Tokio. Orkiestra Filharmonii Narodowej regularnie towarzyszy finalistom Międzynarodowego Konkursu Pianistycznego im. Fryderyka Chopina, bierze udział w Festiwalu Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”, Międzynarodowym Festiwalu „Chopin i jego Europa” czy Wielkanocnym Festiwalu Ludwiga van Beethovena. Nagrywa dla Polskiego Radia, polskich i zagranicznych firm płytowych oraz na potrzeby filmu. Od 2016 roku Filharmonia Narodowa cyklicznie transmituje wybrane koncerty przez internet.
