Олег Орлов родился 4 апреля 1953 года в Москве в семье Орловых — выпускника МИФИ, инженера Петра Михайловича и выпускницы филологического факультета МГУ, школьной учительницы Светланы Николаевны. XX съезд КПСС, осудивший в 1956 году культ личности Сталина и открывший часть информации о преступлениях сталинского режима, оказал сильное воздействие на отца Олега. С тех пор, по словам Олега Орлова, его отец стал убеждённым противником коммунизма, на кухне в их московской квартире часто собиралось много людей, вели разговоры о политике, спорили, слушали песни бардов.
Не сумев с первой попытки поступить в МГУ, Олег Орлов стал студентом сельскохозяйственной Тимирязевской академии. Успешно закончив три курса академии, перевёлся на биологический факультет МГУ, а после окончания работал в Институте физиологии растений Академии наук СССР.
Уже во время работы в институте, в 1979 году, после начала войны в Афганистане, Орлов самостоятельно изготовил примитивный копировальный аппарат (гектограф) и в течение двух лет расклеивал политические листовки, посвященные войне, ситуации в Польше и деятельности движения "Солидарность"
В 1988 году стал членом инициативной группы «Мемориал», выступающей за реабилитацию жертв политических репрессий в СССР, предание гласности фактов массовых нарушений прав человека в СССР, установление памятников жертвам политических репрессий, создание музея и библиотеки, посвященных теме политических репрессий, освобождение политзаключенных . Впоследствии на ее основе было сформировано Всесоюзное добровольное историко-просветительское общество "Мемориал", координатором выборного комитета которого стал Орлов. В 1988-1989 годах он активно участвовал в подготовительном и учредительном съездах "Мемориала" . Движение было зарегистрировано в 1991 году, позднее его переименовали в Международное историко-просветительское правозащитное и благотворительное общество "Мемориал". Орлов стал одним из членов правления организации .
В 1990 году Орлов участвовал в деятельности избирательного блока "Выборы-90", был доверенным лицом правозащитника Сергея Ковалева на выборах в Верховный совет РСФСР , а после его избрания работал в аппарате Верховного совета, занимал должность ведущего специалиста комитета по правам человека . Работал над законами о гуманизации пенитенциарной системы России, о реабилитации жертв политических репрессий. Одновременно Орлов стал председателем совета правозащитного центра "Мемориала".
Во время путча в Москве в 1991 году был защитником «российского Белого дома» от путчистов.
С 1991 по 1994 г. бывал в качестве наблюдателя в зонах вооруженных конфликтов в Армении, Азербайджане, Таджикистане, Молдове, зоне ингушско-осетинского конфликта на Северном Кавказе. Соавтор многих докладов «Мемориала».
Начиная с 1994 года Орлов вместе с Ковалевым, занявшим пост председателя Комитета по правам человека при президенте России, работал в зоне военного конфликта в Чечне, лично встречался с чеченскими лидерами Джохаром Дудаевым и Асланом Масхадовым, участвовал в переговорах об обмене пленными и инспектировал госпиталя и лагеря для военнопленных .
В июне 1995 года О.Орлов в составе группы, возглавляемой С.А.Ковалевым, участвовал в переговорах с террористами, которые под командованием Шамиля Басаева захватили в городе Буденновске заложников. После успешного завершения переговоров члены группы С.А.Ковалева (в том числе и О.Орлов) стали добровольными заложниками в качестве гарантов достигнутых соглашений в обмен на освобождение большинства заложников .
Впоследствии Орлов и правозащитный центр "Мемориал" много внимания уделяли проблеме похищения людей на Кавказе и жертвам среди мирного населения Чечни, Ингушетии и Дагестане. От предложения Ковалева начать работу в президентской правозащитной структуре он отказался.
В 2004 году Орлов стал членом Совета при президенте РФ по содействию развитию институтов гражданского общества и правам человека под председательством Эллы Памфиловой. В 2006 году правозащитник вышел из него в знак протеста против комментария российского президента Владимира Путина по поводу убийства журналиста Анны Политковской, в котором он заявил, что это убийство нанесло России больший урон, чем ее публикации
С начала второй чеченской войны в октябре 1999 г. и по настоящий момент О.Орлов возглавляет работу общества «Мемориал» на Северном Кавказе, где работают представительства «Мемориала» в Чечне, Ингушетии, Дагестане, Северной Осетии, Кабардино-Балкарии, Ставропольском крае.
С апреля 2004 г. по настоящий момент О.Орлов – член Экспертного Совета при Уполномоченном по правам человека в РФ.
Накануне митинга оппозиции в Назрани, в ночь на 24 ноября 2007 года в назранской гостинице вооружёнными людьми в масках были захвачены Олег Орлов и группа тележурналистов компании РЕН ТВ. Угрожая оружием, заложникам надели на головы чёрные пакеты и вывезли за город в поле, где их выволокли из машины, повалили на землю и принялись избивать. Один из пострадавших журналистов впоследствии рассказывал:
Напавшими были похищены видеоаппаратура, документы, мобильные телефоны и личные вещи правозащитника и журналистов. За час до нападения наряд патрульно-постовой службы, несший дежурство в гостинице Асса, покинул свой пост по приказу вышестоящего начальства. Автомобиль с заложниками по пути следования не был остановлен ни на одном блок-поту. Олег Орлов и остальные пострадавшие убеждены, что напавшие на них были сотрудникам спецслужб, а само нападение было «акцией устрашения».
В 2009 году Орлов возложил на президента Чеченской республики Рамзана Кадырова ответственность за убийство в июле 2009 года в Чечне сотрудницы «Мемориала» Натальи Эстемировой. В ответ Кадыров подал иск о защите чести, достоинства, деловой репутации и компенсации морального вреда против Орлова и ПЦ "Мемориал". 6 октября 2009 года суд частично удовлетворил иск Кадырова, постановив взыскать 20 тысяч рублей с Орлова и 50 тысяч рублей с «Мемориала» Суд признал высказывания Орлова о личной или опосредованной вине Кадырова в гибели Эстемировой порочащими честь и достоинство президента. Сам Орлов уточнил, что имел в виду ответственность Кадырова за происходящее в республике, а не прямую причастность к преступлению. Орлов указал, что глава Чечни создал в республике такие условия, при которых правозащитникам работать невозможно, более того - они объявлены "разрешённой целью". Уполномоченный по правам человека в Чеченской Республике Нурди Нухажиев заявил, что Орлов «легко отделался»: «Он в своих необъективных высказываниях публично оскорбил честь, достоинство и деловую репутацию <...> Кадырова, и в таких случаях суд должен быть более суров».
6 июля 2010 года за то же самое публичное выступление Орлову было предъявлено обвинение в совершении уголовного преступления по ч.3 ст. 129 (клевета) УК РФ
13 сентября начался процесс над Орловым. Его защитником стал адвокат Генри Маркович Резник. Государственный обвинитель просил признать Орлова виновным и назначить штраф 150 тыс. руб. Представитель потерпевшего Кадырова настаивал на наказании в 3 года лишения свободы 14 июня 2011 года мировой судья участка №363 района Хамовники г. Москва вынесла Орлову оправдательный приговор Представитель потерпевшего Кадырова и прокуратура обжаловали приговор. Рассмотрение апелляций продолжается до сих пор.