Początki jej historii przypadają na lata 50. XX wieku. W ówczesnym Liceum Muzycznym, aż do 1970, orkiestrę prowadził wybitny dyrygent i kompozytor Feliks Rybicki, wielokrotnie koncertując z nią w Filharmonii Narodowej. Lata 1989–1996 to czas współpracy z Helmholtz Gymnasium z Karlsruhe (Niemcy). Dyrygentami byli wtedy Krzysztof Lewandowski, Andrzej Borzym, Andrzej Affeltowicz i Marcin Nałęcz-Niesiołowski, a orkiestra zasłynęła w wielu miastach Polski i Niemiec wykonaniem Oratorium Stworzenie Świata J. Haydna. W latach 1998–2005 orkiestrę prowadził Ruben Silva, współpracując z dyrygentami młodszego pokolenia (Łukasz Borowicz, Ewa Strusińska). Orkiestra zagrała w tym czasie wiele wspaniałych koncertów symfonicznych w Filharmonii Narodowej i Akademii Muzycznej Fryderyka Chopina.
W następnych latach za pulpitem stawali m.in. Tadeusz Wojciechowski i Andrzej Straszyński. Lata 2009–2013 związane są z nazwiskiem charyzmatycznego Macieja Niesiołowskiego. W 2013 dyrygentką orkiestry została Marta Kluczyńska. Młodzi muzycy pod jej batutą brawurowo prezentowali wielkie dzieła, np. Mszę koronacyjną W.A. Mozarta i VIII Symfonię A. Dvořáka. Niezwykłym wydarzeniem stał się koncert w styczniu 2014, który prowadził prof. Jan Stanienda, legendarny koncertmistrz Sinfonii Varsovii i pedagog szkoły. Dla młodzieży była to niepowtarzalna okazja obcowania z wielkim artystą oraz skorzystania z jego bogatego doświadczenia solisty i muzyka orkiestrowego. Nadzwyczajny charakter miał Galowy Koncert w Filharmonii Narodowej w 2017 z okazji Jubileuszu 70-lecia szkoły. Za pulpitem stanął światowej klasy dyrygent, Łukasz Borowicz, wybitny absolwent tejże szkoły, a orkiestrę zasiliła plejada znakomitych absolwentów i muzyków Filharmonii Narodowej, Teatru Wielkiego – Opery Narodowej, a także pedagogów szkoły. W 2017 dyrygentem orkiestry ZPSM nr 4 został Wojciech Pławner. Pod jego kierunkiem odbyło się już 8 koncertów, w tym Jubileusz 75-lecia szkoły (2022). W trudnym czasie pandemii, pracując z uczniami on-line, przygotował eksperymentalne mozaikowe nagranie fragmentu V Symfonii L. van Beethovena. W latach 2018 i 2019 prowadził koncerty podczas Szalonych Dni Muzyki.