Сын новгородского губернатора (или вице-губернатора) Григория Ивановича Орлова (1685—1746) и его жены Лукерьи Ивановны Зиновьевой. Детство его прошло в Москве. Начальное образование получил дома. В 1749 г. записан в лейб-гвардии Семеновский полк солдатом, участвовал в Семилетней войне, был ранен в сражении при Цорндорфе. Затем попал в Петербург, где познакомился с императрицей Екатериной Алексеевной, супругой Петра III, и стал её любовником. При её содействии 23 февраля 1762 году был назначен цалмейстером (казначеем) Артиллерийского ведомства, что оказало существенную помощь дворцовому перевороту в 1762 году.
От него императрица имела незаконного сына Алексея (1762—1813), родоначальника русского графского рода Бобринских.
После заговора Екатерина II возвела его в чин генерал-адъютанта и начальника Артиллерии. Влияние Орлова особенно усилилось после раскрытия Хитровского заговора, имевшего целью вырезать всю семью Орловых. Одно время императрица думала о бракосочетании со своим фаворитом, но план её вызвал большое сопротивление в обществе, в результате чего бракосочетание не состоялось.
Григорий Орлов не являлся выдающимся государственным деятелем. Скорее всего императрица смотрела на него как на податливый материал, который должен был поступать так, как ей нужно. На все государственные должности Орлов был назначен не по своей воле, но он обладал определенным темпераментом, авантюризмом и находчивостью, имел довольно точную оценку текущих событий, и был полезным и сочувствующим консультантом во время раннего периода правления Екатерины II. Как президент Вольного Экономического Общества, он был также его самым видным защитником в великой комиссии 1767 года, хотя и нацеливался прежде всего на то, чтобы угодить императрице.
Орлов был одним из самых ранних пропагандистов идеи славянофильской эмансипации христиан против османского ига. В 1771 году Орлов был послан на мирный конгресс Фокшаны как первый российский полномочный представитель, где он потерпел неудачу в своей миссии, отчасти из-за упрямства османов, а отчасти (согласно Панину) по вине собственного буйного нрава. При возвращении без разрешения в Санкт-Петербург, его заменили младшим братом — Алексеем Орловым.
В 1771 году Григорий Орлов был послан в Москву «с полною мочию» для прекращения эпидемии чумы, уносившей до тысячи человек в день, и действительно принял вполне разумные по тем временам меры для прекращения эпидемии. В частности, он установил денежное вознаграждение выписываемым из больниц (женатым - по 10 рублей, холостым - по 5 рублей), что стало более действенной мерой против утаивания больных, чем самые строгие приказы.
Орлов женился на своей двоюродной сестре Екатерине Зиновьевой, но брак не был долгим. Супруга скончалась в Лозанне в 1782 году в возрасте 24 лет. На состояние здоровья Орлова повлияла давняя нервная болезнь. Он скончался весной 1783 года.
Останки всех Орловых, включая Григория, покоившиеся в семейной усыпальнице подмосковной Отрады, сожжены в 1924 году.
Григорий Орлов является основателем гатчинского дворцово-паркового ансамбля, его главного детища. Мыза Гатчина была подарена ему Екатериной II в 1765 году, а 30 мая 1766 года началось строительство Большого Гатчинского дворца по проекту итальянского архитектора Антонио Ринальди.
Дворец строился в итальянском вкусе и воспроизводил роскошную итальянскую виллу (то, что Ринальди ездил в Англию и гатчинский дворец построен по образцу английский замков — это глубоко укоренившийся миф). Внутреннее убранство не было великолепным, к тому же финансовые трудности Орлова, скорее всего, не позволили ему закончить дворец в том виде, в каком он задумывался. Но его убранство было выполнено с большим вкусом, а планировка отвечала всем современным требованиям. Значительная часть отделки сохранилась до наших дней (Белый зал, Проходная Ринальди, помещения Малой анфилады — жилой половины хозяина, а так же Вестибюль и коридоры первого этажа). В современной коллекции музея можно найти отдельные предметы убранства орловского времени. Это древняя и современная скульптура, живопись, фарфор и т. п. Имелись во дворце и удобства — роскошная баня с локальным водопроводом: вода из водонагревательных баков по трубам поступала в ванны.
На рубеже 1760—1770-х гг. началось создание «английского сада» (то есть пейзажного парка). Работами руководили братья Сперроу (Спарроу), Джон и Чарльз. После смерти Джона был приглашен Джеймс Гекет (Гакет). Работы были завершены в конце 1790-х годов, уже при новом владельце, императоре Павле I.
В 1760—1780-х годах была построена новая дорога, соединившая Гатчину с Царским Селом и сделавшая Гатчину транзитным пунктом на пути из Петербурга в южные губернии России.
В 1765 году, когда Екатерина Вторая пожаловала своему фавориту графу Григорию Орлову мызу Лигово с деревнями Лигово, Ивановская, Новая, Старое Паново, Новое Паново, Новое Койрово и Сосновка. Земли поместья находились между дачами Александрино и Новознаменка и простирались от Финского залива до Лиговского канала. Имение пересекала Петергофская дорога с регулярным ансамблем "приморских дач".
Мыза размещалась в версте от Петергофской дороги, неподалёку от Лиговского пруда c каменной водяной мельницей. Каким было Лигово при графе Орлове, видно из подробного плана 1777 года: на западном берегу пруда, южнее плотины, находились мыза с пристанью и хозяйственные постройки. Господский дом, где Орлов принимал Екатерину, располагался на противоположном берегу. Это был симметричный комплекс из небольшого главного здания и двух протяженных флигелей по бокам.