Многобройните опити на плевенчани в оркестровото дело се увенчават с успех през 1953 г., когато именитият български диригент Саша Попов създава Държавния симфоничен оркестър в Плевен. Първият концерт е на 6 септември, а солист е Панчо Владигеров. През годините съставът се развива под диригентството на изявени български музиканти като Александър Владигеров, Емил Янев, Димитър Манолов, Пламен Джуров, както и Добрин Петков, Константин Илиев, Руслан Райчев, Иван Маринов, Йордан Дафов, Васил Казанджиев, Цанко Делибозов, Найден Тодоров, Йордан Камджалов, Григор Паликаров, Деян Павлов и др.
Безспорна заслуга за израстването на оркестъра и утвърждаването му в България и в чужбина има маестро Георги Нотев, който с прекъсвания е главен диригент от 1973 г. до 2008 г. Под негово ръководство Плевенската филхармония участва в концерти и фестивали в Италия, Франция, Испания, Португалия, Германия, Швейцария, Норвегия, Финландия, Румъния, Гърция, осъществяване записи за БНР и БНТ и за редица чуждестранни звукозаписни компании. В периода 1970 – 1994 г. Плевенската филхармония изпълнява роля и на оркестър в плевенската опера „Христо Бръмбаров”. До закриването на операта са поставени повече от 50 заглавия: оперни, оперетни и балетни.
Плевен се превръща в притегателен център за редица български композитори като Панчо Владигеров, Марин Големинов, Веселин Стоянов, Александър Райчев, Димитър Ненов, Пенчо Стоянов, Виктор Чучков, Михаил Пеков, Георги Костов, Красимир Тасков, Георги Арнаудов, които участват в авторски концерти или са гости при изпълнението на техни творби.
Солисти на оркестъра са били изпълнители с международна известност: Недялка Симеонова, Вадим Спиваков, Георги Бадев, Гена Димитрова, Калуди Калудов, Христина Ангелакова, Анна Томова-Синтова, Евгений Нестеренко, Емил Камиларов, Дина Шнайдерман, Стефан Попов, Милчо Левиев, Игор Ойстрах, Йорданка Дерилова, Олег Криса, Йовчо Крушев, Людмил Ангелов, Ваня Миланова, Александру Томеску, Светла Кръстева, Сатоки Аояма, Мишел Льотик, Люк Ери, Веско Ешкенази, Борислав Йоцов, Бюлент Евджил, Марияна Панова, Еделина Кънева, Марио Хосен, Пламена Мангова, Дора Делийска, Марк Бушков, Свет Стоянов, Василена Серафимова, Ари Боутрис, Лия Петрова и мн. др.
На Плевенската филхармония са гостували видни диригенти от Европа, Азия и Америка, между които Константин Орбелян, Даян Уитри, Екарт Прой, Юрий Янко, Оливие Олт. Оркестърът многократно участва с концерти във фестивалите „Нова българска музика”, „Варненско лято”, „Софийски музикални седмици”, „Аполония” и други престижни музикални форуми, редовен участник в Международния музикален фестивал Лауреатски дни „Катя Попова” в Плевен. През 2006 г. Плевенската филхармония организира Първия национален конкурс за млади оперни певци „Гена Димитрова”, а след 10-годишно прекъсване през 2019 г. осъществи негово трето издание.
През последните години спектаклите и концертите на открито в Летния театър в парка „Кайлъка” са част от културния живот на град Плевен. Оперите „Набуко” и „Аида” от Верди, кантатата „Кармина Бурана” от Карл Орф и „Вечер на мюзикъла” с Люси Дяковска, привличат многобройна публика – плевенчани и гости на града.
С различни проекти, между които „Обичам българската музика”, „Вечер на мюзикъла”, „Любими руски песни”, „Оскарите в музиката”, „Любими филмови мелодии и песни”, „С музиката на Вили” и „Да послушаме кино” Плевенската филхармония осъществи стотици концерти в цялата страна. През последните години в сътрудничество с Националния филхармоничен хор „Светослав Обретенов” с диригент Славил Димитров бяха изпълнение Реквием от Форе, „Катули Кармина” от Карл Орф, а под палката на маестро Йордан Камджалов – Голяма меса № 3 от Брукнер в зала „България” – София.
През 2019 г. оркестърът записа в своята творческа биография ярки постижения с мегаконцерта „Най-доброто от Андрю Лойд Уебър”, осъществен с Националния филхармоничен хор „Светослав Обретенов” и с участието на световноизвестни солисти от Германия и Великобритания. Виртуозният цигулар Веско Пантелеев-Ешкенази се довери на Плевенската филхармония за своя юбилеен концерт и започна бляскаво турне в цяла България.
За своите ярки постижения в музикално-изпълнителското изкуство през 2019 г. Плевенската филхармония е удостоена с високото отличие „Кристална лира” в категория „Оркестрово изкуство”.