Repertuar orkiestry obejmował dzieła najważniejszych kompozytorów europejskich, często były to wykonania premierowe na scenie amerykańskiej.
Międzynarodową rangę orkiestra uzyskała podczas kadencji Leopolda Stokowskiego (1912–1938), który wprowadził do repertuaru nową muzykę Berga, Busoniego, Skriabina, Strawinskiego, Schönberga i Varèse’a. Powiększył orkiestrę do ponad 100 członków i intensywnie ją promował poprzez pierwsze nagrania fonograficzne (1917), audycje radiowe (od 1929), pionierskie nagrania stereofoniczne (1933) i udział orkiestry w realizacji muzyki filmowej; odbył też z orkiestrą pierwsze transkontynentalne tournée do 27 miast. Eugene Ormandy, który prowadził orkiestrę przez kolejne 42 lata (1938–1980), nadał jej charakterystyczne, rozpoznawalne „brzmienie Filadelfii” spowodowane zagęszczeniem instrumentów smyczkowych (poprzez częste podwajanie partii altówek w drugich skrzypcach lub odwrotnie). Ormandy dyrygował pierwszymi występami orkiestry w telewizji krajowej (1948) oraz koncertował z orkiestrą w Ameryce Południowej, Europie i Azji.