Nasce nel 1990 su iniziativa del Comune di Vicenza e di alcuni musicisti vicentini, raccogliendo le esperienze precedenti di altre formazioni cittadine, risalenti al 1979, e riunendo alcuni tra i migliori musicisti della città e del Veneto. L’intento è di strutturare un organico riconoscibile con Vicenza, punto di attrazione delle potenzialità artistiche di maggior valore espresse dalla città. Da questo, la scelta del riferimento al Teatro Olimpico, monumento simbolo di Vicenza, tempio dell’arte da cinque secoli e capolavoro unico al mondo, che fa della piccola città Veneta una meta culturale a livello internazionale, e che le vale il titolo di “Patrimonio UNESCO dell’umanità”. L’Orchestra, identificandosi nel gioiello palladiano, palcoscenico suggestivo e ambitissimo da tutti gli artisti, rende evidente la volontà di rappresentare la vita musicale dell’intera città, impegnandosi a coinvolgere le varie realtà locali in diversi progetti artistici. L’appuntamento principale dell’Orchestra è la rassegna sinfonica "Il Suono dell'Olimpico", che si svolge da aprile a giugno nel Teatro Olimpico dove sono invitati direttori e solisti di caratura internazionale. Proprio grazie a queste collaborazioni di altissimo livello, l’ensemble ha avuto una notevole crescita artistica, che si accompagna ad una maggiore e più qualificata attività. Ha al suo attivo una serie di importanti collaborazioni con direttori quali Peter Maag, Massimo De Bernart, Paul Angerer, Giancarlo Andretta, Umberto Benedetti Michelangeli, Marc Andreae, Donato Renzetti, Daniel Lipton, Giancarlo De Lorenzo, André Bernard, Bernard Viti e con solisti come Alexander Lonquich, Benedetto Lupo, Joaquin Achucarro, Maria Tipo, Antonio Ballista, José Carreras, Cecilia Gasdia, Renato Bruson, Denia Gavazzeni Mazzola, Claudio Desderi, Mario Brunello, Giovanni Guglielmo, Jean Guillou, Narciso Yepes, Jean-Marc Luisada, Milan Turkovic, Enrico Bronzi, Hansjorg Schellenberger, Giuliano Carmignola, Mario Ancilotti, Hisako Kawamura. Eseguendo musiche del nostro tempo, significativi e prestigiosi sono stati gli incontri con Astor Piazzolla, Enrico Rava, Ralph Towner e Lee Konitz.

1996: L’orchestra si esibisce al Festival del Cinema di Annecy (Francia) Nel biennio 1999-2000 esegue l'integrale delle sinfonie di Beethoven. Dell’anno 2000 è la tournèe in Francia, dove partecipa al Festival "Avignone Città Europea della Cultura per l'anno 2000". Nell'ambito dello spettacolo "A l'aube des dieux" (All'alba degli dei), presenta il Requiem di Antonin Dvorak nella suggestiva cornice del Palazzo dei Papi. Nel 2001realizza concerti con il baritono R. Bruson a Mantova e Milano, e con il soprano Cecilia Gasdia al Teatro dell'Opera di Roma. Sua è la prima esecuzione in tempi moderni (2000) della cantata “L'Oracolo del Vaticano” di Baldassarre Galoppi, su testo di Carlo Goldoni. Nel 2002 si è esibita nel Teatro Municipale di Pforzheim (città gemellata con Vicenza), con grande successo di pubblico e critica, ed è stata invitata a Tolosa nell'ambito dei concerti organizzati dal Consolato Italiano in Spagna.
Ha effettuato registrazioni per la Radio e la Televisione italiana. Importanti sono da ricordare le collaborazioni con Bassano Opera Festival nelle produzioni di "Elisir d'amore", "Aida", "Oberto Conte di S. Bonifacio", "Il filosofo di campagna" e con il Teatro Borgatti di Cento per la produzione di "Falstaff" di G. Verdi e di "Così fan tutte" di W.A. Mozart.
Importanti sono le partecipazioni al Ciclo di Spettacoli Classici al Teatro Olimpico. Nel 1999 l’Orchestra ha eseguito le musiche di scena "Proserpina" di C. Eberwein, su testo di Goethe, "Edipo a Colono" di F. Mendelssohn su testo di Sofocle, nel 2000, "Medea" di Yiri Benda su testo di F. Friedrich Wilhelm Gotter, nel 2001, e "Arianna a Nasso" di Y. Benda con Rossella Falk con la regia di Alberto Terrani nel 2002.

Il 2003 è l’anno della svolta per l’Orchestra del Teatro Olimpico, che inizia ad affacciarsi sulla scena internazionale sotto la guida del nuovo Presidente Massimo Mander e del nuovo direttore artistico Giancarlo De Lorenzo.
Il Suono dell’Olimpico inaugura i suoi concerti con artisti quali Francesco Manara e Simonide Braconi. Del 2003 è la prima tournèe in Spagna, nella quale l’Orchestra di afferma in piazze quali Vigo, Ourense,Ponte Vedra. Il successo ottenuto le assicura una serie di nuovi inviti per gli anni seguenti. Nel dicembre dello stesso anno incide il primo CD con il “Concerto per Sant’Ambrogio” per Zambon Group, registrando il concerto che si tiene il giorno di S. Ambrogio, nell’omonima chiesa a Milano. Inizia così una tradizione che vede rinnovarsi ogni anno la collaborazione con l’azienda milanese per il prestigioso appuntamento natalizio.
Sempre nel 2003 Nello stesso anno iniziano le tournèe in Italia (Torino, Sanremo, Milano, Sondalo, Brescia, Bergamo, Vercelli) e all’estero. La OTO partecipa regolarmente ai più importanti Festival e svolge tournèe in Francia, Germania, Spagna, Grecia, Norvegia e Finlandia. L’uscita dai confini nazionali ha dato notevole impulso alla sua notorietà nel mondo musicale internazionale.
Proseguono le collaborazioni con gli Spettacoli Classici organizzati dal Comune di Vicenza nel Teatro Olimpico. Nel 2003 l’Orchestra partecipa al "Progetto Pygmalion", con Pino Micol e Gaia Aprea, con musiche di Rameau e Rousseau, e nel 2004 all’ “L'Angelo e il Fuoco” di P. Furlani.
Dopo diversi appuntamenti europei, nel 2005 l’Orchestra varca l’oceano per approdare a New York, in alcune delle sedi musicali più ambite. Nell’ottobre 2005 è stata invitata a partecipare alla rassegna “Masterpieces of expression in sound”, presso il Barge Music, il più apprezzato locale di musica classica di Brooklyn, e nel marzo 2006 ha debuttato alla prestigiosa sede concertistica “Carnegie Hall”, con un programma mozartiano.