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. 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 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. W latach 1993-2006 szefem artystycznym Polskiej Orkiestry Radiowej był Wojciech Rajski. Do codziennych obowiązków orkiestry należą nagrania archiwalne dla Polskiego Radia oraz koncerty publiczne w Studiu Lutosławskiego. Polska Orkiestra Radiowa często wyrusza w podróże artystyczne poza granice kraju. Gościła między innymi we Francji, Szwajcarii, Szwecji, Holandii, Austrii, Hiszpanii, Włoszech, Niemczech i Czechach. Repertuar Polskiej Orkiestry Radiowej wciąż rozszerza się, co znajduje odzwierciedlenie w wydawnictwach płytowych Polskiego Radia oraz tak znanych firm jak EMI Classic, KOCH i Olympia. Orkiestra również nagrywa muzykę filmową, koncertowała pod dyrekcją Maurice Jarre, Micheala Kamena, Ennio Morrricone i Michela Legranda wykonując ich kompozycje.
W marcu 2007 na stanowisko dyrektora artystycznego Polskiej Orkiestry Radiowej został powołany Łukasz Borowicz. Nagrana wspólnie płyta z udziałem Dominika Polońskiego otrzymała w 2007 r. nagrodę Fryderyka. Od 2015 roku dyrektorem artystycznym został Michał Klauza.
Sekcja waltorni:
Anna Baran
Michał Kanawka
Grzegorz Gajdamowicz
Mariusz Bulicz
Kamil Karaszewski
Tomasz Kłoś
Joanna Mogielska
