თბილისის ოპერის თეატრის ორკესტრის ისტორია 1851 წელს, თეატრის დაარსებასთან ერთად იწყება. ქვეყნის პირველმა პროფესიულმა ორკესტრმა, რომელიც იტალიელი შემსრულებლებისგან შედგებოდა და იტალიელი მევიოლინე და დირიჟორი ბარბიერი ხელმძღვანელობდა, პირველ თეატრალურ სეზონზე (1851-52) თორმეტი ოპერა შეასრულა.

1860 წლიდან ორკესტრმა დამოუკიდებელი საკონცერტო ცხოვრებაც დაიწყო და შენინგისა და კატანის ხელმძღვანელობით სიმფონიურ საღამოებს მართავდა. ამ ორკესტრის აკომპანემენტით გამოდიოდნენ სცენაზე იმ დროის გამოჩენილი შემსრულებლები: ტერეზა შტოლცი, ფიოდორ შალიაპინი, ეუჯენიო ჯირალდონი, ანტონ რუბინშტეინი, სერგეი რახმანინოვი. ორკესტრი თანხლებას უწევდა სანკტ-პეტერბურგის საბალეტო დასს (1852), იტალიურ საოპერო დასებს (1897-1898, 1910), ვენის საიმპერატორო ოპერეტას (1903), მოსკოვის და პეტერბურგის კომიკური ოპერის დასებს (1907), პეტერბურგის საიმპერატორო ბალეტს (1907, 1908, 1913) თავიანთი თბილისური გასტროლების დროს.

მეოცე საუკუნეში ორკესტრს ხელმძღვანელობდნენ ისეთი გამოჩენილი დირიჟორები, როგორებიც იყვნენ ევგენი მიქელაძე, ივანე და ვახტანგ ფალიაშვილები, ოდისეი დიმიტრიადი, გივი აზმაიფარაშვილი, ჯანსუღ კახიძე.
ბოლო ათწლეულების განმავლობაში ორკესტრი თანამშრომლობდა ისეთ გამოჩენილ შემსრულებლებთან, როგორებიც არიან: პლასიდო დომინგო, ფერუჩო ფურლანეტო, ხოსე კარერასი, მიშელ კრაიდერი, დოლორა ზაჯიკი, მონსერატ კაბალიე, პაატა ბურჭულაძე, ბადრი მაისურაძე, ლადო ათანელი, იანო თამარი ალიბეგაშვილი, ალექსანდრე კორსანტია, ალექსანდრე თორაძე, ეთერ ანჯაფარიძე... დირიჟორებთან: არვო ვოლმერი, დან ეტინგერი, შუია ოკაცუ, ფარჰადინ კერიმოვი დანიელ ორენი, ჯაკომო საგრიპანტი, მარტინს ოზოლინსი და სხვები.
ორკესტრის წარმატებული საგასტროლო გეოგრაფია მოიცავს უნგრეთს, გერმანიას, საფრანგეთს, ისრაელს, მალტას, ესპანეთს, ლიბანს, შვეიცარიას. საოპერო დასთან ერთად ორკესტრი დიდი წარმატებით მონაწილეობდა დალჰალას საოპერო ფესტივალზე შვედეთში, დორე დელ ლაგო პუჩინის და ტალიაკოცოს ფესტივალებზე იტალიაში, ვერდის ფესტივალზე საქართველოში.

ორკესტრის მუსიკოსთა მაღალი შემოქმედებითი და პროფესიული დონის გათვალისწინებით, მის ბაზაზე 2006 წელს დაარსდა კამერული ორკესტრი, რომელიც რეგულარულად მართავდა კონცერტებს როგორც საქართველოში, ისე საზღვარგარეთ. 2019 წელს, შეიქმნა კამერული ორკესტრი „ოპერის კამერატა“, რომელიც ინტენსიურად ასრულებს სხვადასხვა ეპოქის რეპერტუარს, ბაროკოდან თანამედროვე კომპოზიტორების ჩათვლით.

დღესდღეობით, ოპერის ორკესტრი 121 მუსიკოსს აერთიანებს, რომლებიც ხშირად გამოდიან სოლისტების ან ანსამბლისტების რანგში. ფართო საოპერო და საბალეტო რეპერტუარის გარდა, ორკესტრი ხშირად ასრულებს სიმფონიურ და ვოკალურ-სიმფონიურ მუსიკას, მონაწილეობს სამთავრობო და საქველმოქმედო კონცერტებში, თანამშრომლობს ჩვენი დროის გამოჩენილ არტისტებთან.