Сын новгородского губернатора (или вице-губернатора), Г. И. Орлова (1685—1746) и его жены Лукерьи Ивановны Зиновьевой. Воспитывался вместе с братьями в Шляхетном кадетском корпусе, ещё юношей участвовал в Семилетней войне, проявив удивительную храбрость. В 1762 принимал вместе с братьями деятельное участие в подготовке переворота. Вскоре был пожалован чином капитана Семёновского полка, а в день коронации возведен в графское достоинство и пожалован в камергеры.
Указом 20 августа 1763 Орлову было приказано находиться «безпрерывно при текущих делах» в Правительствующем Сенате и «иметь дело за генерал-прокурорским столом». Вскоре назначен обер-прокурором 4-го департамента Сената, награждён орденом Св. Александра Невского с сохранением чина капитана гвардии. В 1767 участвовал в деятельности комиссии по составлению Уложения в качестве депутата от дворянства Орловской губернии. По предложению Орлова, комиссия о сословиях была разделена на 3 секции: первая занималась дворянством, вторая — «средним родом, или мещанством, третья — крестьянами свободными и крепостными».
Во время первой турецкой войны Орлов оставил гражданскую службу и в 1770 поступил в эскадру капитана Спиридова Первой Архипелагской экспедиции русского флота. Отличился при взятии крепости Короны, в Чесменском морском сражении на корабле «Св. Евстафий» (спас часть экипажа до взрыва) и при озере Гидре.
А.С. Пушкин…
Вот, вот могучий вождь полунощного флага,
Пред кем морей пожар и плавал и летал.
Вот верный брат его, герой Архипелага,
Вот наваринский Ганнибал.
…
Командовал частью флота, которому было поручено уничтожить турецкие поселения и крепости вдоль Короманского побережья. За свои подвиги был произведен в генерал-поручики, награждён шпагой, усыпанной бриллиантами и 22 сентября 1770 орденом Св. Георгия 2-го кл. № 4
В январе 1772 возвратился в Санкт-Петербург. В день заключения Кючук-Кайнарджийского мира произведен в генерал-аншефы с увольнением, согласно прошению, от службы.
С 1775 жил в Москве, воспитывал своих внебрачных детей (пяти сыновей и двух дочерей), а именно: Владимира, Алексея, Михаила, Григория, Федора, Елизавету и Анну, которым указом императрицы Екатерины II от 27 апреля 1796 года предоставлены дворянские права, фамилия и герб Орловых.