Zespół powstał w 1945 roku i od początku istnienia czerpie z bogatych tradycji muzycznych Wrocławia. Działał jako Filharmonia (1945–1949), Wrocławska Orkiestra Symfoniczna (1954–1958) oraz Państwowa Filharmonia we Wrocławiu (1958–2014), w 1994 roku obierając za swojego patrona Witolda Lutosławskiego.
W 2013 roku do grona dyrektorów artystycznych Orkiestry dołączył Benjamin Shwartz, przejmując funkcję po Jacku Kaspszyku, pod którego batutą zespół pracował przez poprzednie siedem lat.
Orkiestra współpracuje z gronem znakomitych dyrygentów gościnnych, jak m.in.: Nicholas Collon, Gabriel Chmura, Jerzy Maksymiuk, Krzysztof Penderecki, Pascal Rophé, Dima Slobodeniouk, George Tchitchinadze czy Stefan Solyom.
Pośród wielu nagrań, w tym również dla radia i telewizji, wyróżnić należy trwający od 2007 roku pro-jekt fonograficzny wydania dzieł wszystkich Witolda Lutosławskiego, realizowany razem z wytwórnią CD Accord. Drugi album z serii Witold Lutosławski. Opera omnia 02. Symfonie nr 2 i 4, nagrany pod batutą Jacka Kaspszyka, nagrodzony został Fryderykiem 2011 w kategorii „Album roku – muzyka symfoniczna i koncertująca”. W 2013 roku Orkiestra poszerzyła swoją dyskografię m.in. o nagrania I Symfonii oraz Koncertu na orkiestrę Witolda Lutosławskiego poprowadzone przez legendarnego dyrygenta, Stanisława Skrowaczewskiego, a także o album z zapisem fragmentu koncertu danego przez zespół wraz z Terje Rypdalem w ramach festiwalu Jazztopad (2009). Płyta jest pierwszym krążkiem polskiego zespołu w katalogu prestiżowej wytwórni ECM.
Szczególne miejsce w działalności Orkiestry zajmuje międzynarodowa promocja muzyki polskiej. W ostatnich latach zespół prezentował m.in. dzieła Karola Szymanowskiego, Witolda Lutosławskiego, a także Krzysztofa Pendereckiego podczas koncertów w Europie oraz Stanach Zjednoczonych. W kwietniu 2014 roku pod batutą Gabriela Chmury Orkiestra zaprezentowała w Belgii dzieła Henryka Mikołaja Góreckiego oraz Witolda Lutosławskiego.
W sezonie artystycznym 2014/2015 Orkiestra gościć będzie takich artystów, jak: Avi Avital, Gabor Boldoczki, Ruben Gazarian, Boris Giltburg, Philippe Herreweghe, Andriej Korobiejnikow, Marek Pijarowski, Clemens Schuldt, Julian Steckel, Jonathan Stockhammer, Antje Weithaas czy Ariel Zuckermann.