En 1905 se inició una fecunda colaboración con Enrique Fernández Arbós, que se prolongó durante tres décadas, en las que también ocuparon el podio figuras de la talla de Richard Strauss e Igor Stravinski. Bajo la dirección de Arbós se definieron los objetivos básicos que debía marcarse la Orquesta en todas sus actividades: renovación del repertorio, apoyo a la música y los músicos españoles y creación de nuevos públicos.

Cien años después esos tres criterios siguen siendo fundamentales para la Orquesta Sinfónica de Madrid. Tras la muerte de Arbós la titularidad de la Orquesta fue ocupada por directores españoles como Conrado del Campo, José María Franco, Enrique Jordá y Vicente Spiteri. En 1981, tras un acuerdo con el Ministerio de Cultura, pasó a ser la orquesta estable de todas las producciones del Teatro de la Zarzuela y se produce, asimismo, la recuperación de su actividad puramente sinfónica, campo en el que destaca el ciclo anual de conciertos de la Comunidad de Madrid en el Auditorio Nacional de Música. Además de trabajar con todos los directores españoles más importantes, ha sido dirigida por maestros como Peter Maag, Pinchas Steinberg, Kurt Sanderling, Krzysztof Penderecki y Mstilav Rostropovich. En 1993 la Orquesta recibió el Premio a la creación musical de la Comunidad de Madrid y al año siguiente celebró su nonagésimo aniversario con una serie de actos, grabaciones y publicaciones, como el libro La Orquesta Sinfónica de Madrid: noventa años de historia de Carlos Gómez Amat y Joaquín Turina (Alianza Editorial, 1994), que recoge la vida de la agrupación. En su discografía destacan las zarzuelas y ópera españolas grabadas para “Auvidis”, la integral de las Sinfonías de Mendelssohn, bajo la dirección de Peter Maag, para “Arts” y la primera grabación mundial de la ópera Merlin de Albéniz, dirigida por José de Eusebio y cantada por Carlos Álvarez y Plácido Domingo, para “Decca”. Desde 1997 la Orquesta Sinfónica de Madrid atiende las necesidades musicales de los espectáculos del Teatro Real.

En sus actuaciones en dicho teatro la Orquesta Sinfónica de Madrid ha recibido un creciente aplauso tanto del público como de los profesionales y la crítica; se puede señalar el triunfo rotundo de la producción de Parsifal de Wagner en la temporada 2000-2001, bajo la dirección del maestro García Navarro. En 1999 la Orquesta creó un coro profesional, que debutó en el Teatro Real. Ese mismo año la Orquesta Sinfónica de Madrid decide establecer una sólida dirección artística y la Asamblea de Socios determina recuperar la figura de Director titular, cargo aceptado por García Navarro, y, en la misma línea, la creación del cargo de Director honorario, para Kurt Sanderling, y la novedosa figura de Compositor residente, para Cristóbal Halffter. En el año 2000 la Orquesta Sinfónica de Madrid creó su Orquesta-Escuela, un proyecto innovador dirigido a la formación e inserción laboral de jóvenes valores musicales, y a la creación de nuevos públicos principalmente entre los escolares de la Comunidad de Madrid. En la actualidad, y por medio de un contrato hasta el año 2009 con la Fundación del Teatro Lírico, el Coro y la Orquesta Sinfónica de Madrid se han constituido como Coro y Orquesta titulares del Teatro Real. En el año 2002 Jesús López Cobos aceptó el nombramiento como nuevo Director titular de la Orquesta.