Historia Polskiej Orkiestry Radiowej sięga lat przedwojennych; po wojnie, już w 1945 roku, orkiestrę objął Stefan Rachoń, skrzypek i dyrygent, a jej kolejnymi dyrektorami artystycznymi byli: Włodzimierz Kamirski, Jan Pruszak, Mieczysław Nowakowski. Za kadencji Tadeusza Strugały (1990–93) orkiestra uzyskała dzisiejszą nazwę i przeniosła się do nowej siedziby – Studia Koncertowego Polskiego Radia im. Witolda Lutosławskiego. W latach 1993–2006 szefem artystycznym Polskiej Orkiestry Radiowej był Wojciech Rajski.

W marcu 2007 na stanowisko dyrektora artystycznego Polskiej Orkiestry Radiowej został powołany Łukasz Borowicz, który współpracował z nią od kilku lat, prowadząc nagrania i koncerty. Nagrana wspólnie płyta z udziałem Dominika Połońskiego otrzymała w 2007 nagrodę Fryderyka. Sezon koncertowy 2007/08 Polska Orkiestra Radiowa zainaugurowała koncertowym wykonaniem opery Falstaff Verdiego, a w marcu 2008, podczas XII. Wielkanocnego Festiwalu im. Ludwiga van Beethovena wykonała operę Lodoïska Cherubiniego, przygotowaną pod opieką artystyczną Christy Ludwig. Oba te dzieła zostały wydane przez Polskie Radio na płytach kompaktowych, a nagranie Lodoïski było nominowane do nagród MIDEM Classical i Fryderyk. Sezon 2008/09 orkiestra rozpoczęła koncertowym wykonaniem opery Maria Romana Statkowskiego, które również zostało wydane na CD. W koprodukcji z wytwórnią Chandos zostały nagrane wszystkie koncerty skrzypcowe Grażyny Bacewicz z solistką Joanną Kurkowicz. Podczas 13. Wielkanocnego Festiwalu orkiestra wzięła udział w wykonaniu opery Berggeist Louisa Spohra (także wydana na płytach CD). We współpracy z wytwórnią CPO na trzech płytach ukazały się nagrania utworów Andrzeja Panufnika pod dyrekcją Łukasza Borowicza.

Kontynuację prezentacji podczas Festiwali Wielkanocnych i na płytach CD mniej znanych oper stanowiły wykonania Euryanthe Carla Marii von Webera (2010), Marii Padilii Gaetano Donizettiego (2011), L’amore dei tre re Italo Montemezziego (2012) i Simon Boccanegra Giuseppe Verdiego (2013). Orkiestra nagrała również operę Szymona Laksa Bezdomna jaskółka – było to pierwsze w Polsce wykonanie dzieła w wersji oryginalnej francuskiej – oraz balet Karola Rathausa Zakochany lew. Kolejną ważną premierą było koncertowe wykonanie przypomnianej po ponad 150 latach opery Ignacego Feliksa Dobrzyńskiego Monbar czyli Flibustierowie, a sezon 2011/12 rozpoczął się przypomnieniem opery Feliksa Nowowiejskiego Legenda Bałtyku.

W najbliższym czasie będą kontynuowane nagrania z wybitnymi polskimi śpiewakami. Są już na rynku dwie płyty wydane przez Orfeo z Piotrem Beczałą, przez Polskie Radio z Arturem Rucińskim i przez Harmonię Mundi z Mariuszem Kwietniem.