این ارکستر در سال ۱۳۲۴ به وسیله پرویز محمود سازماندهی شد و به شکل امروزی درآمد.
پرویز محمود در آن زمان رئیس هنرستان عالی موسیقی یا کنسرواتوار تهران بود و چند تن از همکاران و دوستانش مانند غلامحسین غریب گرگانی (نوازنده کلارینت) و روبیک گریگوریان (نوازنده ویولن و رهبر آواز گروهی) در این کار با او همکاری داشتند.
در سال‌های اولیه دهه سی این حشمت سنجری بود که برای مدتی کوتاه رهبری این ارکستر را بر عهده گرفت،و سپس برای تحصیل به اروپا رفت تا هایمو تویبر اتریشی تا سال 1339 و قبل از بازگشت سنجری از سفر تحصیلی رهبری این ارکستر را عهده دار شود.
سنجری در سال 1339 که دیگر ارکستر سمفونیک تهران صورت و صبغه کاملی به خود گرفت، رهبری این ارکستر را عهده دار شد
سنجری به مدت 12 سال( تا سال ۱۳۵۱)رهبر ثابت ارکستر سمفونیک تهران بود . در دوران رهبری او نوازندگان برجسته‌ای چون یهودی منوهین،رافی پتروسیان و ایزاک اشترن ارکستر تهران را در برنامه‌هایی همراهی کردند.
اختلاف نگاه در نحوه اداره ارکستر سمفونیک تهران سبب شد تا فرهاد مشکوه، که دکتری اقتصاد داشت و علاوه بر آن تحصیلات موسیقی را در آمریکا و رهبری ارکستر را در ایتالیا آموخته بود، در سال های ابتدایی دهه 50 رهبری این ارکستر را بر عهده گرفت و سنجری و نوع نگاه او به کارهای ارکستری به حاشیه رانده شدند. تا سال‌های قبل از انقلاب رهبری ارکستر بر عهده مشکوه بود و در همان سال‌ها بود که حکومت وقت به این جمع بندی رسید این ارکستر را که تا اوایل دهه ۵۰ از کمک‌های دولتی به صورت محدود برخوردار بود ،دارای بودجه وسازماندهی مستقلی کند.
پس از انقلاب سنجری دوباره رهبری ارکستر را به عهده گرفت و ده سال در این سمت به کارش ادامه داد. گر چه ارکستر در طول این سال ها فعالیت و برنامه های چندانی را به اجرا در نیاورد اما سنجری در حفظ و تداوم کار آن کوشید با وجودی که بسیاری از نوازندگان ارکستر پش ار انقلاب مهاجرت کرده بودند ارکستر را حفظ کرد و برنامه هایی با نوازندگان باقیمانده و چند نوازنده جایگزین به روی صحنه برد وحدود دوازده سال رهبری ارکستر را در دست داشت و سرانجام در پاییز ۱۳۶۸ پس از اجرای کنسرتی به مناسبت چهلمین روز درگذشت مرتضی حنانه با ارکستر سمفونیک تهران برای همیشه خداحافظی کرد.
بعد از او فریدون ناصری به عنوان رهبر دائمی ارکستر سمفونیک تهران برگزیده شد. او که محقق ونوازنده سازهای کوبه‌ای بود، تا چند سالی قبل از درگذشتش رهبری این ارکستر را بر عهده داشت و برای حفظ و استمرار فعالیت آن تلاش‌های ارزنده‌ای صورت داد. در دوره ناصری از رهبران مهمانی چون فریدون صهبایی، ایرج صهبایی، شهرداد روحانی، لوریس چکناوریان، نادر مشایخی بهره برده شد.
علی رهبری که از جمله رهبران ایرانی شناخته شده در جهان به شمار می‌رود، در سال 1384 به عنوان رهبر دائمی این ارکستر انتخاب شد، پیش از او برای چند مدتی نادر مشایخی رهبری این ارکستر را عهده‌دار شد. علی رهبری اما به دلیل عدم تمکین خواسته‌ها و پیشنهادهایش و وضعیت تاسف‌بار اداری و مالی و حق‌الزحمه نوازندگان و اعضای ارکستر با نگارش نامه‌ای سرگشاده و گلایه‌آمیز به وزیر ارشاد وقت(حسین صفار هرندی) از رهبری استعفا داد و به اروپا رفت.
پس از وی، نادر مشایخی، منوچهر صهبایی هر یک به مدت حدود یک سال رهبری ارکستر را در دست داشتند که هر دوی آنها به دلیل مشکلات و موانع بر سر راه ارکستر سمفونیک تهران نتوانستند این مسیر را ادامه دهند.
ارکستر سمفونیک تهران به جز دوره‌ای کوتاه که هابیو تویبر اتریشی رهبری دائمی این ارکستر را عهده دار بود ، عمدتا رهبران آن ایرانی بودند و حتی سعی شد که رهبران مهمان این ارکستر هم از میان چهره‌های شناخته شده موسیقی ایران در اروپا و آمریکا انتخاب و رهبری کنند.
در سال ۱۳۸۹ ماتیاس سباستین کروگر آلمانی، اولین رهبر غیر ایرانی این ارکستر پس از انقلاب شد. در سال 1390 و بعد از اختلاف نظری که بین دفتر موسیقی ارشاد و منوچهر صهبایی پیش آمد که به کنار گذاشته شدن او از رهبری ارکستر سمفونیک تهران انجامید، نادر مرتضی‌پور رهبری این ارکستر را عهده دار شد.
رهبرهای ثابت و مهمان ارکستر سمفونیک تهران:
- پرویز محمود
- روبیک گریگوریان
- مرتضی حنانه (۱۳۳۳-۱۳۳۱)
- حشمت سنجری (۱۳۳۶-۱۳۳۴)
- هایمو توبیر (۱۳۳۹-۱۳۳۶)
- حشمت سنجری (۱۳۵۱-۱۳۳۹)
- فرهاد مشکات (۱۳۵۷-۱۳۵۱)
- نادر مرتضی پور (۱۳۶۱-۱۳۶۳)
- فریدون ناصری (۱۳۷۱-۱۳۶۹)
- علی رهبری (۱۳۸۴-۱۳۸۳)
- نادر مشایخی (۱۳۸۶-۱۳۸۴)
- منوچهر صهبایی (۱۳۸۶-۱۳۸۸)
- ماتیاس کروگر (۱۳۸۹ مهمان)
- درک گلیسون (۱۳۸۹ مهمان)
- شهداد روحانی (۱۳۸۹ مهمان)
- نادر مرتضی پور (۱۳۹۰)