Należy do grona najważniejszych zespołów operowych w Polsce, a jej historia stanowi integralną część dziejów łódzkiej sceny muzycznej. Choć formalnie związana jest z działalnością Teatru Wielkiego od momentu inauguracji jego nowej siedziby w 1967 roku, jej korzenie sięgają 1954 roku, kiedy powstała Opera Łódzka. To właśnie wówczas zaczęto tworzyć zespół instrumentalny, który dał początek obecnej orkiestrze.
Na przestrzeni lat orkiestra wykonywała dzieła należące do kanonu światowej literatury muzycznej. Ważne miejsce w repertuarze zajmowała również twórczość współczesna, a zespół wielokrotnie uczestniczył w polskich premierach i prawykonaniach nowych kompozycji Romualda Twardowskiego czy Krzysztofa Pendereckiego.
Istotny wpływ na rozwój artystyczny orkiestry wywarli wybitni dyrygenci związani z łódzką sceną operową. Wśród nich znaleźli się m.in. Władysław Raczkowski, Zygmunt Latoszewski, Bohdan Wodiczko, Bogusław Madey, Antoni Wicherek, Tadeusz Wojciechowski, Wojciech Michniewski, Ewa Michnik, Antoni Wit i Tadeusz Kozłowski. Dzięki ich pracy zespół wypracował wysoki poziom wykonawczy, własną tożsamość artystyczną oraz rozpoznawalne brzmienie.