Основные — в области нейрогистологии современных беспозвоночных, сравнительной морфологии и палеоневрологии ископаемых животных.
Главный редактор «Основ палеонтологии» (т. 1—15). В 1967 году награждён Ленинской премией посмертно.
Директор Палеонтологического института АН СССР.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
Именем Орлова назван палеонтологический музей в Москве.