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 1976 - 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 - na przykład 8 maja 1995 zespół uczestniczył w galowym koncercie w Darmstadt z okazji 50 rocznicy zakończenia II wojny światowej, gdzie z niemieckimi solistami i połączonymi chórami z Polski i Niemiec, w obecności Krzysztofa Pendereckiego wykonano jego Pasję według Św. Łukasza. 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. Polska Orkiestra Radiowa brała udział w wydarzeniach promujących kulturę polską, zarówno w kraju jak i zagranicą – w Sali Ratusza w Sztokholmie inaugurowała obchody Roku Polskiego w Szwecji, z okazji 10-lecia nawiązania stosunków dyplomatycznych pomiędzy Polską a Litwą dwukrotnie koncertowała w sali Filharmonii Wileńskiej, w dniu Święta Narodowego 11 listopada 2002 występowała w Operze Lwowskiej, 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 listopadzie 2004, w  Paryżu, w Theatre Silvia Monfort brała udział w prapremierze opery Zygmunta Krauzego Iwona, księżniczkaBurgunda.  Dnia 03.10.2005 w Theatre Royal de la Monnaie w Brukseli Polska Orkiestra Radiowa pod dyrekcją Wojciecha Rajskiego brała udział w koncercie galowym „Dziękujemy Europie” podsumowującym obchody 25-lecia powstania  Solidarności. 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 jest nominowane do nagrody Midem Classical.
    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. Bieżący sezon orkiestra rozpoczęła 21 września,  koncertowym wykonaniem opery  Maria Romana Statkowskiego. Wkrótce to nagranie zostanie wydane na płytach CD Polskiego Radia.
   Repertuar Polskiej Orkiestry Radiowej wciąż rozszerza się, co znajduje odzwierciedlenie w wydawnictwach płytowych Polskiego Radia oraz tak znanych firm jak EMI Classics, KOCH, cpo i Olympia. Orkiestra również nagrywa muzykę filmową, m.in. Jana A. P. Kaczmarka, Stanisława Syrewicza i Macieja Zielińskiego, koncertowała pod dyrekcją Maurice Jarre’a, Micheala Kamena, Ennio Morrricone i Michela Legranda wykonując ich kompozycje.