W 1945 roku, skrzypek i dyrygent Stefan Rachoń założył orkiestrę, która spełniać miała wielorakie zadania. Do podstawowych obowiązków zespołu należało dokonywanie nagrań archiwalnych dla Polskiego Radia i Telewizji, które stanowiły wówczas jedną instytucję. Nie można zapomnieć też o publicznych występach podczas uroczystych koncertów i festiwali.
W połowie lat siedemdziesiątych pojawili się nowi dyrygenci, pełniący również funkcje dyrektorów artystycznych. W latach 1975 - 1980 na czele orkiestry stał Włodzimierz Kamirski, następnie Jan Pruszak (1980 - 1988) i Mieczysław Nowakowski (1988 - 1990). Za kadencji Tadeusza Strugały (1990 - 1993) orkiestra uzyskała dzisiejszą nazwę i przeniosła się ze studia M-1 przy ul. Myśliwieckiej do nowej siedziby Studia Koncertowego Polskiego Radia, które wkrótce uzyskało zaszczytne miano - im. Witolda Lutosławskiego. Studio, w którym miejsca może zająć ponad czterystu słuchaczy, wyposażone jest w nowoczesną aparaturę, umożliwiającą nagrania i transmisje radiowe koncertów. Zasłynęło, daleko poza granicami Polski swoją wspaniałą, niepowtarzalną akustyką.
W latach 1993 - 2006 szefem artystycznym Polskiej Orkiestry Radiowej był Wojciech Rajski. Obejmując Polską Orkiestrę Radiową, odnowił zespół organizując przesłuchania i egzaminy w efekcie których zaangażował wielu młodych, pełnych entuzjazmu muzyków. Do codziennych obowiązków orkiestry należą nagrania archiwalne dla Polskiego Radia oraz koncerty publiczne w Studiu im. W. Lutosławskiego. Polska Orkiestra Radiowa wyrusza w podróże artystyczne poza granice kraju. Gościła między innymi we Francji, Włoszech, Szwajcarii, Szwecji, Holandii, Luksemburgu, Austrii, Hiszpanii, Niemczech, Czechach i na Łotwie wszędzie spotykając się z gorącym przyjęciem publiczności i uznaniem krytyków muzycznych. We Włoszech orkiestra wystąpiła m.in. w słynnym mediolańskim teatrze La Scala, w Audytorium Lingotto w Turynie, w Holandii w sali Concertgebouw w Amsterdamie, w Niemczech w Alte Oper we Frankfurcie, a także w wielu innych znakomitych, renomowanych salach koncertowych Europy. W jej wykonaniu zabrzmiały utwory Wojciecha Kilara podczas wręczeniu kompozytorowi „Złotego Berła”- nagrody Fundacji Kultury Polskiej i podczas Gali Koncertowej na Targach Muzycznych Midem w Cannes. W 2005 pod batutą Jerzego Maksymiuka nagrała operetkę J.Straussa Zemsta nietoperza - jest to pierwsze nagranie tej operetki w języku polskim.
W marcu 2007 na stanowisko dyrektora artystycznego Polskiej Orkiestry Radiowej został powołany Łukasz Borowicz, który z orkiestrą współpracował od kilku lat prowadząc nagrania i koncerty. Nagrana wspólnie płyta z udziałem Dominika Polońskiego otrzymała w 2007 nagrodę Fryderyka. Sezon koncertowy 2007/2008 Polska Orkiestra Radiowa zainaugurowała koncertowym wykonaniem opery Falstaff Verdiego, a w marcu 2008 podczas 12. Wielkanocnego Festiwalu im. Ludwiga van Beethovena wykonała operę Lodoiska Cherubiniego przygotowaną pod opieką artystyczną Christy Ludwig. Obie te opery zostały wydane przez Polskie Radio na płytach kompaktowych, a nagranie Lodoiski było nominowane do nagrody Midem Classical i Fryderyk.
19 i 20 kwietnia orkiestra zagrała wszystkie symfonie Roberta Schumanna. Bogaty sezon artystyczny zakończył się 8 czerwca wykonaniem dwóch utworów o tym samym tytule - Pieśń oziemi Romana Palestra i Gustava Mahlera. Sezon 2008/2009 orkiestra rozpoczęła koncertowym wykonaniem opery Maria Romana Statkowskiego. Wkrótce to nagranie zostanie wydane na płytach CD Polskiego Radia. Dla uczczenia 100. rocznicy urodzin i 40. śmierci Grażyny Bacewicz zostały nagrane jej 3 koncerty skrzypcowe, z solistką Joanną Kurkowicz i Uwertura. Nagrania te ukazały się na płycie CD nakładem wytwórni Chandos Records. Na 13. Wielkanocnym Festiwalu Ludwiga van Beethovena POR wraz z Chórem Polskiego Radia brała udział w wykonaniu opery Berggeist Louisa Spohra, wydanej na płytach CD przez Polskie Radio. W maju orkiestra gościła w Seulu, na Międzynarodowym Festiwalu Muzycznym. Koncertami dyrygowali Krzysztof Penderecki i Łukasz Borowicz. Sezon 2008 / 2009 zakończył monograficzny koncert utworów Andrzeja Panufnika, jest to część dużego projektu we współpracy z wytwórnią cpo - nagrania radiowe utworów Panufnika pod dyrekcją Łukasza Borowicza zostaną wydane na 3 płytach kompaktowych. Bieżący sezon Orkiestra zainaugurowała koncertem XIX-wiecznej muzyki polskiej. W programie: II Symfonia I.F.Dobrzyńskiego i jednoaktowa opera Flis S.Moniuszki.