Происходил из старинного аристократического рода. Был сыном полковника князя Вахтанга Дмитриевича Орбелиани (1769-1.03.1812) и царевны Текле (Феклы) Грузинской (1776—1846), дочери предпоследнего царя Картл-Кахети Ираклия II.
Вахтанг Орбелиани родился 5 апреля 1812 г. Отец его—полковник Вахтанг Димитриевич Орбелиани был убит восставшими кахетинскими крестьянами за два месяца до рождения будущего поэта. В память отца сына назвали Вахтангом. Мать Вахтанга Орбелиани Текле была младшей любимой дочерью царя Ираклия.
Маленький Вахтанг до тринадцати лет рос под руководством матери. Она обучила его грамоте, под её влиянием сложилось и мировоззрение Вахтанга. В 1825 г. мальчика определили в тбилисское «Благородное училище», а через три года отправили в Петербург и отдали для продолжения образования в Пажеский корпус. Но петербургский климат оказался вредным для юноши, и через два года он вернулся в Грузию. В 1830—1832 гг. Орбелиани ждаёт в родной семье и занимается самообразованием, успешно овладевает русским и французским языками. В эти годы он основательно знакомится с произведениями многих выдающихся представителей русской и западноевропейской литературы: с Шекспиром, Пушкиным, Гёте, Шиллером, Гюго. Впоследствии влияние Пушкина отразилось на произведениях грузинского поэта. В эти же годы В. Орбелиани сблизился с грузинской молодёжью того времени, в частности с Соломоном Додашвили, который стал вдохновителем его поэтических созданий. Вахтанг Орбелиани принял участие в дворянском заговоре 1832 г. Как один из главных участников заговора он был присуждён к смертной казни, которая впоследствии была заменена высылкой из Грузии в Калугу. Четыре года спустя, в 1837 г., отбыв наказание, Вахтанг Орбелиани возвращается в Грузию. В 1838 г. его принимают на военную службу. Ему пришлось участвовать во многих войнах и походах. Одно время он был правителем Кубанской области. В 1860 г. получил чин генерал-майора, а в 1864 г. был переведён в Закавказскую армию. В том же году В. Орбелиани был назначен членом Присутствия по крестьянским делам, в разное время занимал должность мирового посредника. Умер В. Орбелиани 29 сентября (ст. ст.) 1890 г. в Тбилиси.
Печататься Вахтанг Орбелиани начал в 1857 году, однако большинство его стихотворений относится к 1879—1890 годам. Воспоминания о Грузии заставляют его «ожидать возрождения ее из пепла и развалин», «подобно легендарному фениксу»; он верит, что «дела отцов с лица земли не истребятся и ныне жалкие руины вновь полной жизнью загорятся» (поэма «Надежда»). Весь пыл своего патриотизма он вложил в два лучших свои произведения, «Надежда» и «Сирота» (последнее стихотворение — опыт лирического воссоздания главных моментов из жизни грузинского поэта XII в., Шоты Руставели); здесь наиболее ярко проявилось его уменье связывать суровость с идиллической прелестью и элегической нежностью. В своем творчестве он воспевал ратные подвиги национальных героев, выражалскорбь по утерянной независимости родины (стихи «Прощание», «Надежда», «Ответ родины», «Ираклий и его время» и др.). Подражаниям персидской поэзии он противопоставил традиции западно-европейского стиха и грузинской поэзии. Также он талантливо воспроизводил величие кавказской природы; в каждом его стихотворении встречаются то мирный пейзаж, то бурные и грозные явления, внезапно сменяющие «спокойный волшебный сон». Иногда в стихотворениях звучат отголоски политики и злобы дня: он осуждает эгоизм («Зачем мы рождены»), касается тенденций молодой грузинской литературы («Царица»). Полное собрание стихотворений Орбелиани (на грузинском языке) вышло в 1894 году, с биографией, написанной Ильей Чавчавадзе. Полное собрание сочинений Вахтанга Орбелиани в последний раз появилось в издательстве «Грузинская книга», Тифлис в 1928 году.
Был женат (с 1842 г.) на Екатерине Васильевне Ильинской (1828—1883). в этом браке родились: