Viskas prasidėjo 1960 metais nuo J. S. Bacho. Lietuvos nacionalinės filharmonijos salėje Vilniuje užjūrio kvartetas atliko „Fugos meną“. Tačiau jie tai grojo labai nuobodžiai. Koncertu nusivylęs jaunas smuikininkas ir dirigentas Saulius Sondeckis tyliai išsmuko iš salės tikėdamasis likti nepastebėtas. Ir lyg tyčia…susitiko filharmonijos direktorių Balį Fedaravičių. „Jums nepatinka, kaip jie groja? Tuomet sukurkite savo orkestrą ir mes palaikysime!“ – pasiūlė direktorius. 1960 m. balandžio 23 d. apie dvidešimt jaunų entuziastingų muzikantų susirinko į repeticiją Lietuvos valstybinėje konservatorijoje (dabar LMTA) Vilniuje. Repeticijai vadovavo Saulius Sondeckis, o ši data dabar yra laikoma Lietuvos kamerinio orkestro gimtadieniu. Praėjus vos šešiems mėnesiams, 1960 m. spalio 30 d., orkestras surengė savo pirmąjį viešą pasirodymą, per kurį atliko G. F. Händelio ir J. S.Bacho kūrinius.
1960 metų gegužę Isaacas Sternas rengė rečitalius Vilniuje. Balys Fedaravičius nusprendė pasipuikuoti prieš Isaacą Sterną visiškai nauju, jaudinančiu, ką tik susikūrusiu Lietuvos kameriniu orkestru. Praėjus vos porai savaičių po pirmosios repeticijos, orkestras filharmonijos mažojoje salėje repetavo kažkokį J.S. Bacho kūrinį. Tada staiga atsidarė durys ir įėjo Isaacas Sternas. Jis su dideliu susidomėjimu ir entuziazmu klausėsi jauno kolektyvo, pasidalijo vertingais patarimais apie interpretaciją, padrąsino muzikantus. Pasak jų, šis draugiškas didžio smuikininko apsilankymas tapo tikru orkestro veiklos įteisinimu, viltingu žvilgsniu į būsimą bendradarbiavimą su puikiais muzikantais.
Neilgai trukus Lietuvos kamerinis orkestras įgijo puikią reputaciją ir atsidavusių gerbėjų palaikymą. Pirmą koncertą, kuriame skambėjo Balio Dvariono Antrasis fortepijoninis koncertas, Maskvoje surengė 1962 metais. Po šio koncerto, į kurį bilietai buvo visiškai išparduoti, orkestras su koncertais apkeliavo visą SSRS, sovietinio bloko šalis, o vėliau ir Vakarus. Lietuvos kamerinis orkestras nuolat koncertuoja muzikos festivaliuose Zalcburge, Liucernoje, Šlėzvige-Holšteine, A. Stradivari festivalyje Kremonoje, Sione, Gštate, Reingau ir Berlyno „Musikfest“.
Lietuvos kamerinis orkestras įkvėpė ir tapo pirmuoju daugybės XX amžiaus kompozitorių kūrinių atlikėju. Orkestras yra aistringas Baltijos šalių kompozitorių muzikos ambasadorius.
Gilus J. S. Bacho muzikos supratimas ir interpretavimas yra viena iš Lietuvos kamerinio orkestro „vizitinių kortelių“. Kartu su legendine Tatjana Petrovna Nikolajeva orkestras kelis kartus atliko visus 12 J. S. Bacho klavyrinių koncertų gastrolėse SSRS, Vokietijoje (Ansbacho ir Šlėzvigo-Holšteino festivaliuose) ir įrašė juos įrašų kompanijose „Melodija“, „Eterna“, „Ariola Eurodisc“ ir „JVC“.
1991 metais Ivo Pogorelichiaus festivalio metu trispalvė nepriklausomos Lietuvos vėliava pirmą kartą viešai suplevėsavo už Lietuvos ribų.
1991 metais pasaulis minėjo V. A. Mozarto mirties 220-metį. Lietuvos kamerinis orkestras vasarą dalyvavo Zalcburgo festivalyje ir koncertavo rudens koncertų cikle. Orkestras atliko Alfredo Schnittke „Sutartines“, parašytas skaudžių, tragiškų įvykių Vilniuje 1991 metų sausį akivaizdoje.
Maestro Mstislavas Rostropovičius suvaidino ypatingą vaidmenį Lietuvos kamerinio orkestro istorijoje.
1992–1999 metais Lietuvos kamerinis orkestras surengė apie 60 koncertų su lordu Y. Menuhinu, kuris kolektyvą vadino „mano lietuviais“.
2000–2001 metais Lietuvos kamerinis orkestras gastrolėse Vokietijoje atliko L. van Beethoveno „Prometėjo kūrinius“ kartu su puikiu britų aktoriumi seru Peteriu Ustinovu, kuris skaitė savo filosofines esė apie Prometėjo mitą, Napoleoną ir šių dienų istoriją. Šios programos įrašas tapo perkamiausia „BMG Records“ ir „RCA Victor Red Seal“ įrašų kompanijų kompaktine plokštele.
2008 metais Sergej Krylov tapo Lietuvos kamerinio orkestro meno vadovu ir dirigentu.