Zespół powstał w 1984 roku w wyniku powiększenia składu Polskiej Orkiestry Kameralnej Jerzego Maksymiuka. Impulsem do rozbudowania składu był przyjazd do Polski legendarnego skrzypka Yehudiego Menuhina. Wspólne koncerty szybko zdobyły uznanie publiczności w Polsce i za granicą, a Menuhin objął funkcję pierwszego gościnnego dyrygenta orkiestry.
Niedługo potem Sinfonia Varsovia rozpoczęła światowe tournée, występując w najbardziej prestiżowych salach koncertowych świata. Szeroki repertuar zespołu, obejmujący zarówno dzieła Wolfganga Amadeusza Mozarta, Ludwiga Beethovena, jak i Krzysztofa Pendereckiego zaowocował współpracą z licznymi solistami i dyrygentami. Orkiestra zawiązała artystyczne przyjaźnie z najwybitniejszymi dyrygentami, wśród których znaleźli się Witold Lutosławski i Lorin Maazel, oraz ze światowej klasy solistami, do których należą Piotr Anderszewski, Martha Argerich i Anne-Sophie Mutter.
Do tej pory Sinfonia Varsovia zagrała ponad 4000 koncertów na 5 kontynentach i nagrała ponad 300 płyt, m.in. dla wytwórni Decca, Deutche Grammophon, Naxos, Sony i Warner. Repertuar obejmuje dzieła od XVIII wieku do współczesności, a szczególne miejsce zajmuje w nim twórczość polskich kompozytorów, w tym: Fryderyka Chopina, Krzysztofa Pendereckiego, Ignacego Jana Paderewskiego, Witolda Lutosławskiego, Henryka Mikołaja Góreckiego oraz Wojciecha Kilara. Orkiestra ma na swoim koncie liczne prawykonania utworów, m.in. Johna Adamsa, Krzesimira Dębskiego, Jana A.P. Kaczmarka, Pawła Mykietyna, Onutė Narbutaitė, Marty Ptaszyńskiej, Marcina Stańczyka, Pawła Szymańskiego oraz Lutosławskiego i Pendereckiego.
Od 1997 roku dyrektorem muzycznym, a następnie (w latach 2003–2020) dyrektorem artystycznym był Krzysztof Penderecki. Od 2008 do 2012 roku dyrektorem muzycznym był Marc Minowski. W roku 2004 Franciszek Wybrańczyk przekazał obowiązki dyrektora Sinfonii Varsovii wieloletniemu muzykowi zespołu, Januszowi Marynowskiemu, który tę funkcję sprawuje do dziś.