Antes del siglo XVII, los instrumentistas experimentaban al variar la instrumentación de la obras que estuvieran ensayando. En torno al año 1600 los compositores empezaron a señalar instrumentos concretos para diferentes voces. El desarrollo y fijación de la orquesta (entre 1600 y 1750 aproximadamente) hizo posible las convenciones de la orquestación de comienzos del siglo XVIII. Las cuerdas solían escribirse a cuatro partes: dos sopranos interpretadas por violines y un bajo interpretado por los violonchelos y contrabajos, con la viola rellenando la armonía en el centro. Dos oboes o flautas, o ambos, más un fagot, reforzaban y enriquecían el sonido de las cuerdas. El soporte armónico lo proporcionaba el bajo continuo (la línea del bajo con relleno armónico interpretada por el clavicordio o el órgano). A veces aparecían las trompetas y los timbales. En la segunda mitad del siglo XVIII se añadieron el clarinete y la trompa y, pocas décadas después, los trombones. Los instrumentos han sido utilizados a menudo por sus connotaciones simbólicas, ajenas a la música (el oboe, pastoral; las trompetas y timbales, regio; el trombón, solemne y sacro; la trompa, la caza; el triángulo, los platillos y el bombo, exotismo y aire turco).

A finales del siglo XVIII el bajo continuo casi no se utilizaba. Las armonías se dejaban a las trompas. La tendencia se dirigía hacia una textura en la que los diferentes instrumentos de las secciones instrumentales elaboraban formas cortas. Los vientos añadían muchos matices y destellos cromáticos. Ludwig van Beethoven asignó partes importantes a la viola y experimentó con el uso de los flautines y los trombones; fue también uno de los primeros que exploraron las capacidades solistas de la trompa.

Durante el romanticismo (c. 1820-1900) los compositores tendieron más que en el pasado a concebir sus obras pensando directamente en el timbre orquestal, el sonido de dos o más instrumentos que emiten la misma nota tiene una cualidad sonora distinta a la de un solo instrumento. Músicos como Hector Berlioz, Nikolái Rimski-Kórsakov y Richard Wagner introdujeron una gran variedad de instrumentos de viento con mejoras técnicas para conseguir tanto sonoridades voluminosas como delicadas. La mayor parte de la música orquestal de finales del siglo XIX, como la de los austriacos Anton Bruckner y Gustav Mahler, requiere orquestas de gran tamaño con instrumentación compleja.

En el siglo XX, compositores franceses como Claude Debussy y Maurice Ravel subrayaron los efectos sensoriales y pictóricos que se podían conseguir con la orquesta moderna. El compositor ruso Ígor Stravinski rompió a menudo con la tradición al encargar la melodía a los metales o la función percusiva a las cuerdas. Los instrumentos de percusión fueron aumentando para añadir nuevos timbres. También se aplicaron técnicas nuevas a muchos instrumentos (por ejemplo, usando el cuerpo de madera del violín para la percusión). Los instrumentos electrónicos y los sintetizadores han creado toda una nueva paleta de sonidos.