Tallinna Filharmoonia keskseks muusikakollektiiviks on Tallinna Kammerorkester, mille asutas 1993. aastal Tõnu Kaljuste. 29 tegevusaasta jooksul on Tallinna Kammerorkester kujunenud tuntud ja tunnustatud kollektiiviks kogu maailmas. TKO algusaastate tegevus oli väga tihedalt seotud Eesti Filharmoonia Kammerkooriga, kellega koos plaadistati firmale ECM Arvo Pärdi „Te Deum“, mis ilmumise järel püsis terve aasta maailma plaadiedetabelite esikümnes ning pälvis kõrgeid hinnanguid juhtivatelt muusikakriitikutelt. Hilisemad olulised plaadistused on olnud Erkki-Sven Tüüri „Crystallisatio“, Arvo Pärdi „Litany“, „Neenia“ Heino Elleri keelpillimuusikaga jt.
Kontserdireisid on TKO viinud korduvalt USAsse, Kanadasse, Jaapanisse, Mehhikosse ning enamikesse Euroopa riikidesse. Esinetud on paljudel mainekatel muusikafestivalidel. Tallinna Kammerorkestri peadirigendid on olnud Tõnu Kaljuste ja Juha Kangas, sügisel 2013 asus peadirigendiks Risto Joost. Hooajast 2019/2020 on Tallinna Kammerorkestri kunstiline juht ja peadirigent Tõnu Kaljuste.