powstała w 1984 r. w wyniku przekształcenia się Polskiej Orkiestry Kameralnej. Jej działalność zainicjował Franciszek Wybrańczyk we współpracy z Yehudim Menuhinem, który zgodził się zostać jej pierwszym gościnnym dyrygentem.
W 1997 dyrektorem muzycznym, a w 2003 dyrektorem artystycznym orkiestry został Krzysztof Penderecki. W latach 2008–12 dyrektorem muzycznym zespołu był światowej sławy francuski dyrygent Marc Minkowski. Od 2004 obowiązki dyrektora naczelnego sprawuje Janusz Marynowski.
Sinfonia Varsovia występowała w najbardziej prestiżowych salach koncertowych świata, m.in. nowojorskiej Carnegie Hall, Théâtre des Champs Elysées w Paryżu, Barbican Centre w Londynie, wiedeńskim Musikverein, Teatro Colón w Buenos Aires, Suntory Hall w Tokio i Herkulessaal w Monachium.
Uczestniczyła w renomowanych festiwalach w Salzburgu, Gstaad (Festiwal Yehudiego Menuhina), Aix-en-Provence, Montreux, La Roque d’Anthéron, Szlezwiku-Holsztynie, Würzburgu, Festiwalu Pablo Casalsa, w Alte Oper we Frankfurcie nad Menem, Festiwalu Muzyki na Morzu, Festiwalu Beethovenowskim w Bonn. Szczególne miejsce w sezonie artystycznym orkiestry zajmuje słynny międzynarodowy festiwal muzyczny La Folle Journée, organizowany przez francuskie stowarzyszenie C.R.E.A. i jego dyrektora René Martina, odbywający się w Nantes, Bilbao, Tokio, Rio de Janeiro. W czerwcu 2010 roku Orkiestra Sinfonia Varsovia wraz z C.R.E.A. po raz pierwszy zorganizowała Festiwal La Folle Journée / Szalone Dni Muzyki w Warszawie. Piąta warszawska edycja festiwalu odbędzie się w dniach 26–28 września 2014 roku.
Z orkiestrą występowali tacy dyrygenci, jak Claudio Abbado, Gerd Albrecht, Charles Dutoit, Rafael Frühbeck de Burgos, Hans Graf, Leopold Hager, Jacek Kaspszyk, Kazimierz Kord, Jan Krenz, Emmanuel Krivine, Witold Lutosławski, Paul McCreesh, Jerzy Maksymiuk, Marc Minkowski, Grzegorz Nowak, Krzysztof Penderecki, Michel Plasson, Mścisław Rostropowicz, Volker Schmidt-Gertenbach, Jerzy Semkow, Antoni Wit, Bruno Weil. Podczas licznych koncertów orkiestra towarzyszyła solistom tej miary, co Salvatore Accardo, Piotr Anderszewski, Maurice André, Martha Argerich, Yuri Bashmet, Teresa Berganza, Rafał Blechacz, Alfred Brendel, José Carreras, Kyung-Wha Chung, José Cura, Placido Domingo, Augustin Dumay, Nelson Freire, James Galway, Fou Ts’ong, Sharon Kam, Kiri Te Kanawa, Nigel Kennedy, Gidon Kremer, Alicia de Larrocha, Elisabeth Leonskaja, Christa Ludwig, Radu Lupu, Albrecht Mayer, Mischa Maisky, Yehudi Menuhin, Shlomo Mintz, Olli Mustonen, Anne-Sophie Mutter, Olga Pasiecznik, Murray Perahia, Maria João Pires, Ivo Pogorelić, Jean-Pierre Rampal, Vadim Repin, Katia Ricciarelli, Heinrich Schiff, Howard Shelley, Henryk Szeryng, Maksim Wengerow, Christian Zacharias, Frank Peter Zimmermann, Tabea Zimmermann, Grigorij Żyslin.
Istotna w działalności orkiestry jest promocja najbardziej utalentowanych młodych polskich muzyków, śpiewaków, instrumentalistów i dyrygentów. Sinfonia Varsovia dokonała ponad 230 nagrań płytowych, m.in. dla Deutsche Grammophon, Decca, Sony, EMI, Virgin Classics, Naxos, Denon Nippon Columbia, Naïve, DUX, Polskiego Radia, BeArTonu, CD Accord, Polskich Nagrań. Wiele nagrań uzyskało prestiżowe nagrody fonograficzne, w tym Diapason d’Or, Diapason Découverte, Grand Prix du Disque oraz kilkakrotnie statuetkę Fryderyka.
Od 2000 przy orkiestrze działa założona przez Franciszka Wybrańczyka Fundacja Sinfonia Varsovia, która inicjuje i wspiera artystyczne przedsięwzięcia zespołu, promujące polskich kompozytorów na świecie. Fundacja współorganizuje też coroczny Festiwal im. Franciszka Wybrańczyka Sinfonia Varsovia Swojemu Miastu. Do 31 grudnia 2007 roku zespół działał przy Centrum Sztuki Studio im. St. I. Witkiewicza w Warszawie. Od 1 stycznia 2008 roku Orkiestra Sinfonia Varsovia jest samorządową instytucją kultury. Organizatorem Orkiestry jest Miasto Stołeczne Warszawa.
W 2010 roku zespół otrzymał własną siedzibę – dawny Instytut Weterynarii SGGW na warszawskiej Pradze, przy ulicy Grochowskiej 272.
Orkiestra Sinfonia Varsovia uhonorowana została m.in. tytułem Zasłużony dla Warszawy, Doroczną Nagrodą Honorową Ministra Kultury i Dziedzictwa Narodowego za osiągnięcia w zakresie twórczości i upowszechniania kultury, dyplomem Ministra Spraw Zagranicznych za wybitne zasługi dla promocji Polski w świecie. W 2014 roku Sinfonia Varsovia obchodzi Jubileusz 30-lecia swojej działalności.