Zaraz po zakończeniu drugiej wojny światowej, w 1945 roku, skrzypek i dyrygent Stefan Rachoń założył orkiestrę, która spełniać miała wielorakie zadania. W praktyce lwią część repertuaru stanowiła muzyka popularna, często nawet rozrywkowa. 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. Tak było przez trzydzieści lat.

W połowie lat siedemdziesiątych w profilu artystycznym orkiestry zaczęły zachodzić istotne zmiany. Pojawili się nowi dyrygenci, pełniący również funkcje dyrektorów artystycznych. W latach 1976-1980 na czele orkiestry stał Włodzimierz Kamirski. Konsekwentnie wprowadzał nowy repertuar, dążąc do przekształcenia zespołu w orkiestrę symfoniczną. Dzieło jego kontynuował Jan Pruszak (1980-1988), potem Mieczysław Nowakowski (1988-1990).

Za kadencji Tadeusza Strugały (1990-1993) orkiestra uzyskała dzisiejszą nazwę i przeniosła się z niezbyt wygodnego studia M-1 przy ul. Myśliwieckiej do nowej siedziby przy ul. Woronicza. Zaczęła nagrywać i występować w nowej sali koncertowej Polskiego Radia, która wkrótce uzyskała zaszczytne miano Studia 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 roku 1993 szefem artystycznym Polskiej Orkiestry Radiowej został Wojciech Rajski. Obejmując Polską Orkiestrę Radiową, odnowił zespół organizując specjalne 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 Lutosławskiego. Gdy czas na to pozwala Polska Orkiestra Radiowa wyrusza w podróże artystyczne poza granice kraju. Gościła między innymi we Francji, Włoszech, Szwajcarii, Szwecji, Holandii, Luksemburgu, Austrii, Hiszpanii, Niemczech i Czechach wszędzie spotykając się z gorącym przyjęciem publiczności i uznaniem krytyków muzycznych. Na przykład 8 maja 1995 roku zespół uczestniczył w galowym koncercie w Darmstadt z okazji 50 rocznicy zakończenia II wojny światowej.

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 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.

Repertuar Polskiej Orkiestry Radiowej wciąż rozszerza się, co znajduje odzwierciedlenie w wydawnictwach płytowych Polskiego Radia oraz tak znanych firm jak EMI Classic, KOCH, cpo i Olympia. Orkiestra również nagrywa muzykę filmową, koncertowała pod dyrekcją Maurice Jarre, Micheala Kamena, Ennio Morrricone i Michela Legranda wykonując ich kompozycje.