2010年，国家大剧院管弦乐团在北京创建。从陈其刚、赵季平、于京君、马格努斯·林德伯格、奥古斯塔·里德·托马斯、卡列维·阿霍等，到其倾力支持的国家大剧院青年作曲家计划，他们促成了陈其钢《江城子》、《如戏人生》、赵季平《第一小提琴协奏曲》、《第二琵琶协奏曲》、于京君《日新》等优秀新作的诞生，推动了现代音乐在中国的发展、中国作品在海外的推广及新生代作曲家的成长。
2012年，已故大师马泽尔执棒并由他亲自改编自瓦格纳歌剧的《无词指环》，作为大师在华唯一录音由索尼发行。2019年，贝多芬《第九交响曲》获颁中国发烧唱片大奖“最佳管弦乐专辑”。2021年，贝多芬《爱格蒙特》戏剧配乐成为这部伟大作品的首次中国录音。
十余年来，他们演绎了近70部国家大剧院版歌剧制作，成就了瓦格纳《罗恩格林》、《纽伦堡的名歌手》、威尔第《西蒙·波卡涅拉》、圣-桑《参孙与达丽拉》、多尼采蒂《拉美莫尔的露琪亚》、普契尼《西部女郎》等重磅经典的中国首演，并担纲了印青《长征》、郭文景《骆驼祥子》等17部中国歌剧的世界首演。
2020年，他们在新冠疫情中线上演出数十场，场均浏览量近3000万。2014年和2017年，他们同吕嘉两赴北美，成为首支进入纽约卡内基音乐厅、芝加哥交响中心、旧金山戴维斯大厅、蒙特利尔交响大厅官方演出季的中国乐团。
2010年，作为国家大剧院首任音乐艺术总监的陈佐湟在参与乐团创建并出任其首席指挥。2012年，陈佐湟荣膺桂冠指挥后，吕嘉接任首席指挥，并于2017年出任音乐总监与首席指挥、国家大剧院音乐艺术总监。吕嘉在交响乐及歌剧领域均造诣深厚，曾任意大利维罗那歌剧院音乐总监、西班牙特内里费交响乐团艺术总监，也是中国澳门乐团音乐总监兼首席指挥。
2022年9月10日，将参加国家大剧院推出“天涯共此时”中秋线上特别节目，表演《思乡曲》、《伏尔塔瓦河》、《我的祖国》；12月31日，参加《
2023北京新年音乐会》演出。
2023年1月14日，参演由总台文艺节目中心、技术局携手
国家大剧院共同打造的《
国家大剧院2023新年音乐会》。
2024年10月1日，管弦乐队在莫斯科“扎里亚季耶”音乐厅的舞台上演出，10月4日将在圣彼得堡、10月7日将在符拉迪沃斯托克举行音乐会，乐队的表演曲目包括俄罗斯和中国当代作曲家的作品。