La Orquesta fue fundada en 1903 por la mayoría de los componentes de la Sociedad de Conciertos —la primera orquesta sinfónica estable de España, creada por Francisco Asenjo Barbieri en 1866—, y se presentó en el Teatro Real de Madrid el 7 de febrero de 1904, dirigida por Alonso Cordelás. En 1905 se inició una fecunda colaboración con Enrique Fernández Arbós, que se prolongó durante tres décadas, en las que también ocuparon el podio figuras de la talla de Richard Strauss e Ígor Stravinski. Bajo la dirección de Arbós se definieron los objetivos básicos que debía marcarse la Orquesta en todas sus actividades: renovación del repertorio, apoyo a la música y los músicos españoles y creación de nuevos públicos. Cien años después esos tres criterios siguen siendo fundamentales para la Orquesta Sinfónica de Madrid. Tras la muerte de Arbós la titularidad de la Orquesta fue ocupada por directores españoles como Conrado del Campo, José María Franco, Enrique Jordá y Vicente Spiteri.

En 1981, tras un acuerdo con el Ministerio de Cultura, pasó a ser la orquesta estable de todos los espectáculos del Teatro de la Zarzuela y se produce, asimismo, la recuperación de su actividad puramente sinfónica, campo en el que destaca el ciclo anual de conciertos en el Auditorio Nacional de Música. Además de trabajar con todos los directores españoles más importantes, ha sido dirigida por maestros como Peter Maag, Pinchas Steinberg, Kurt Sanderling, Krzysztof Penderecki y Mstislav Rostropóvich.

En 1993 la Orquesta recibió el Premio a la creación musical de la Comunidad de Madrid. Desde 1997 la Orquesta Sinfónica de Madrid atiende las necesidades musicales de los espectáculos del Teatro Real. En sus actuaciones en dicho teatro la Orquesta Sinfónica de Madrid ha recibido un creciente aplauso tanto del público como de los profesionales y la crítica. El maestro García Navarro fue el Director Titular de la OSM de 1999 a 2002 y el maestro Jesús López Cobos lo ha sido de 2002 a 2010. Kurt Sanderling, como Director Honorario y Cristóbal Halffter, como Compositor Residente, refuerzan la dirección artística del conjunto. En el año 2000 la Orquesta Sinfónica de Madrid creó su Orquesta-Escuela, un proyecto innovador dirigido a la formación e inserción laboral de jóvenes valores musicales, y a la creación de nuevos públicos; en la actualidad atiende las necesidades del Teatro Real para su Proyecto Pedagógico y la programación de Ópera en Familia.

La Orquesta ha apostado por distintos proyectos sociales para contribuir a mejorar la sociedad actual a través de la música clásica; cabe destacar proyectos como la Orquesta-Escuela, Talentos y Mosaicos.

El libro La Orquesta Sinfónica de Madrid: noventa años de historia de Carlos Gómez Amat y Joaquín Turina (Alianza Editorial, 1994) recoge la vida de la agrupación. En su discografía destacan las zarzuelas y ópera españolas grabadas para «Auvidis», la integral de las Sinfonías de Mendelssohn, bajo la dirección de Peter Maag, para «Arts» y las primeras grabaciones mundiales de Merlin y Henry Clifford de Albéniz, dirigidas por José de Eusebio, o El Centro de la Tierra de Fernández Arbós, por José Luis Temes. Una parte significativa de sus actuaciones en el Teatro Real está siendo publicada tanto en disco como en dvd o blu-ray, y está disponible en la videoteca de Palco Digital.