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André Cluytens et Georges Prêtre l'ont dirigé. L'arrivée de Michel Plasson en 1968 a été une étape décisive dans la vie de l'Orchestre. Sous sa direction, sa vocation symphonique s'est développée considérablement. Il a entrepris de nombreuses tournées hors de France et a constitué avec Emi France une importante discographie. L'effectif de l'Orchestre est passé à 104 musiciens dans le cadre du plan du renouveau musical lancé par Marcel Landowski, et en 1980, le Ministre de la Culture lui a décerné le titre d'Orchestre National.
Michel Plasson a quitté la tête de l'Orchestre National du Capitole en août 2003, et en est chef d'orchestre honoraire.
L'Orchestre National du Capitole assure la saison symphonique à la Halle aux Grains de Toulouse et la saison lyrique du Théâtre du Capitole, ainsi que de nombreux concerts de décentralisation régionale.