Pierwszy koncert w wykonaniu Filharmonii Warszawskiej odbył się 5 listopada 1901 r. w nowo wybudowanym gmachu. Orkiestrą dyrygował współzałożyciel Filharmonii, jej pierwszy dyrektor muzyczny i dyrygent Emil Młynarski, a jako solista wystąpił Ignacy Jan Paderewski, mąż stanu, kompozytor i pianista znajdujący się wówczas u szczytu światowej kariery, jeden z fundatorów Filharmonii. Wykonał on swój Koncert fortepianowy a-moll oraz utwory solowe Chopina. Program koncertu zawierał ponadto dzieła Moniuszki, Żeleńskiego i Stojowskiego.

Filharmonia Warszawska w krótkim czasie osiągnęła wysoki poziom, stając się głównym ośrodkiem życia muzycznego na ziemiach polskich 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 między innymi Olgierd Straszyński i Andrzej Panufnik. W styczniu 1950 r. 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, potem w sali Roma), Orkiestra dzięki staraniom Rowickiego stała się wiodącym zespołem w Polsce.

21 lutego 1955 r. 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 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 r. Witold Rowicki został ponownie mianowany dyrektorem artystycznym i pierwszym dyrygentem Filharmonii. Stanowisko to piastował do 1977 r. Jako dyrygenci współpracowali w tym czasie z nią 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 r. dyrektorem artystycznym i dyrygentem Filharmonii Narodowej został mianowany Kazimierz Kord. Od początku swojej pracy z orkiestrą kładł on nacisk na wzbogacenie repertuaru, dzięki czemu w programie kolejnych sezonów artystycznych znalazły się nie tylko dzieła symfoniczne, lecz również wielkie formy oratoryjne i operowe, a także 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 wykreowali pomysł krótkich, kilkudniowych festiwali muzyki współczesnej, których punktem wyjścia była idea spotkania różnych dyscyplin sztuki. Pierwszy taki festiwal odbył się już po śmierci kompozytora i na jego cześć został nazwany „Forum Lutosławskiego”. Kontynuowany jest do dziś (początkowo w cyklu corocznym, następnie dwuletnim).

W latach 1979–90 stanowisko zastępcy dyrektora artystycznego i dyrygenta Filharmonii Narodowej zajmował Tadeusz Strugała. Od 2002 do 2013 r. funkcje dyrektora naczelnego i artystycznego Filharmonii Narodowej pełnił Antoni Wit, który kontynuował linię repertuarową swojego poprzednika, wzbogacając programy poprzez jeszcze większą obecność muzyki polskiej, często wykonywanej przez zagranicznych artystów, i koncertowe wykonania słynnych dzieł operowych. Ustanowił funkcję kompozytora sezonu artystycznego, którego dzieła obecne są w repertuarze i który współdziała w programowaniu koncertów z muzyką współczesną. W czasie kierownictwa Antoniego Wita znacznie zwiększyła się ilość nagrań płytowych. Pod jego batutą zespoły Filharmonii Narodowej nagrały ponad 50 płyt, w tym prawie 40 dla Naxos. Płyty otrzymały szereg nagród z prestiżową Grammy 2012 na czele, a ich repertuar składa się głównie z dzieł polskich kompozytorów: Karłowicza, Szymanowskiego, Lutosławskiego, Pendereckiego, Góreckiego, Kilara.

W sezonie 2013/2014 stanowisko dyrektora Filharmonii Narodowej obejmuje Wojciech Nowak, od 16 lat związany z Filharmonią jako zastępca dyrektora naczelnego i artystycznego. Funkcję dyrektora artystycznego obejmuje zaś, odpowiedzialnego za rozwój zespołów, kształtowanie repertuaru i dobór artystów gościnnych Jacek Kaspszyk.

Orkiestra Symfoniczna Filharmonii Narodowej odbyła prawie 140 tournée na pięciu kontynentach. Występowała we wszystkich najważniejszych salach koncertowych, gorąco oklaskiwana przez słuchaczy i chwalona przez krytyków muzycznych za

doskonałe, charyzmatyczne wykonania. Uczestniczyła 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 i Tokio. Orkiestra Filharmonii Narodowej bierze udział regularnie w Międzynarodowych Konkursach Pianistycznych im. F. Chopina, w Festiwalach Muzyki Współczesnej „Warszawska Jesień”, Międzynarodowym Festiwalu „Chopin i jego Europa” i Wielkanocnym Festiwalu Ludwiga van Beethovena. Nagrywa dla Polskiego Radia i Telewizji, polskich i zagranicznych firm płytowych oraz na potrzeby filmu. W Filharmonii Narodowej występowali znakomici artyści z całego świata. Obok najwybitniejszych polskich na jej estradzie pojawili się Hermann Abendroth, Martha Argerich, Vladimir Ashkenazy, Kathleen Battle, Joshua Bell, Teresa Berganza, Gary Bertini, Herbert Blomstedt, Ian Bostridge, Alfred Brendel, Giuliano Carmignola, Aram Chaczaturian, Charles Dutoit, Philippe Entremont, Władimir Fiedosiejew, Rafael Frühbeck de Burgos, Philippe Herreweghe, Robert Holl, Marek Janowski, Sumi Jo, Nigel Kennedy, Evgeny Kissin, Gidon Kremer, Lang Lang, Felicity Lott, Radu Lupu, Lorin Maazel, Mischa Maisky, Igor Markevitch, Kurt Mazur, Yehudi Menuhin, Arturo Benedetti Michelangeli, Midori, Marc Minkowski, Shlomo Mintz, Anne-Sophie Mutter, Kent Nagano, Dawid i Igor Ojstrachowie, Murray Perahia, Maurizio Pollini, Simon Rattle, Światosław Richter, Helmuth Rilling, Mścisław Rostropowicz, Gienadij Rożdiestwieński, Artur Rubinstein, Jordi Savall, András Schiff, Isaac Stern, Leopold Stokowski, Igor Strawiński, Henryk Szeryng, Arkadi Wołodos i wielu innych.