تأسست المنظمة بعد انعقاد المؤتمر العربي الفلسطيني الأول في القدس، استجابةً لقرار مؤتمر القمة العربية الذي عقد في القاهرة في عام 1964، وقد تم تكليفها بتمثيل الفلسطينيين في المحافل الدولية، وتضم تحت لواءها معظم الفصائل والأحزاب الفلسطينية.
تم تكليف أحمد الشقيري، ممثل فلسطين آنذاك، بالتواصل مع الفلسطينيين وكتابة تقرير حول ذلك لتقديمه في المؤتمر العربي التالي. وقد قام الشقيري بجولة قام خلالها بزيارة الدول العربية والاتصال بالفلسطينيين هناك، وخلال هذه الجولة تم وضع مشروعي الميثاق القومي والنظام الأساسي للمنظمة، وتم الاتفاق على عقد مؤتمر فلسطيني.
اختار الشقيري اللجان التحضيرية للمؤتمر وتم وضع قوائم تضم أسماء المرشحين لعضوية المؤتمر الفلسطيني الأول الذي عُقد في القدس في عام 1964، واشتُهِر المؤتمر بأنه المجلس الوطني الفلسطيني الأول لمنظمة التحرير الفلسطينية، وتم انتخاب الشقيري رئيسًا له، وتم الإعلان عن تأسيس المنظمة.
وتمت الموافقة آنذاك على الميثاق القومي والنظام الأساسي للمنظمة، وتم انتخاب الشقيري رئيسًا للجنة التنفيذية، و
تم تكليفه باختيار أعضاء اللجنة الخمسة عشرة، وقرر المؤتمر تدريب الشعب الفلسطيني عسكريًا وإنشاء الصندوق القومي الفلسطيني.
في 24 ديسمبر 1967، تولى يحيى حمودة رئاسة اللجنة التنفيذية بالوكالة، وأعلن أن منظمة التحرير ستسعى قصارى جهدها لتوحيد الحركات الفلسطينية المختلفة، وستعمل على إنشاء مجلس وطني للمنظمة.
وفي 1 فبراير 1969، انعقدت الدورة الخامسة للمجلس الوطني الفلسطيني، بحضور جميع الحركات الفدائية، وانتهت بانتخاب الراحل الشهيد ياسر عرفات رئيسًا للجنة التنفيذية لمنظمة التحرير، وانضمت حركة "فتح" إلى المنظمة وتولى ياسر عرفات رئاسة اللجنة التنفيذية.
في عام 2004، تم انتخاب الرئيس محمود عباس رئيسًا لمنظمة التحرير الفلسطينية، بعد استشهاد الرئيس ياسر عرفات.