Пимен Орлов родился на хуторе Мало-Хвощеватый Острогожского уезда Воронежской губернии в семье мельника. С раннего детства у мальчика обнаружились незаурядные способности и любовь к рисованию. Родители, однако, желали, чтобы сын продолжил семейное дело и не разделяли увлечение своего ребенка, к тому же из-за бедности крестьянская семья и не могла позволить сыну серьёзно учиться живописи.
Однако юный Пимен твердо решил посвятить свою жизнь изобразительному искусству. В подростковом возрасте он уходит из дома и поступает в ученики к странствующему маляру. Малярами в то время называли не только тех, кто красит дома, стены и заборы, но и художников-самоучек, не имевших никакого специального образования. Многие маляры ходили из селения в селение, предлагая свои услуги как по простой покраске полов, стен, заборов и т. п. так и по художественному оформлению вывесок, афиш, рекламных плакатов и т. п. Опытные маляры часто получали заказы по росписи сельских храмов, декоративной росписи стен комнат помещичьих усадеб и помещений в общественных зданиях. Писали они и картины по заказам провинциальных помещиков и других состоятельных людей.
Переходя вместе с маляром из селения в селение и принимая участие в исполнении заказов, Пимен постепенно осваивает азы живописи. Желая совершенствоваться в мастерстве, Орлов сменил несколько учителей, пока не стал получать собственных заказов на иконы в церквах и на портреты от окрестных помещиков. Случай однажды свел его с местным предводителем дворянства Гладким, который, ознакомившись с искусством Пимена Никитича, счел не бесполезным отправить его в Санкт-Петербург для определения в Императорскую Академию художеств, куда, после долгих усилий, Орлов и поступает в 1834 году.
В течение следующих трех лет Пимен Орлов учится в Академии в портретном классе К. П. Брюллова. Выбор жанрового направления был не случаен. Карл Брюллов в середине XIX века считался ведущим российским портретистом, картины его высоко ценились, число желающих заказать у него портретное изображение было велико. Многие живописцы подражали художественной манере Брюллова. Орлов же, не имея серьёзной материальной поддержки со стороны, в студенческие годы вынужден был зарабатывать на жизнь собственным творчеством и портреты в стиле Брюллова позволили Пимену Никитичу иметь достаточно средств к существованию. Из работ студенческой поры наиболее удачными являются портреты Олениной и полковника князя Голицына.
Постоянная работа над портретами способствовала значительному росту мастерства художника — в 1836 году Орлову была присуждена серебряная медаль 2-й степени.
В 1837 году Пимен Никитич заканчивает обучение в Академии с серебряной медалью первой степени, полученной им за портреты с натуры князя Голицына, госпожи Тимофеевой и девицы Эссен и званием свободного художника.
В 1841 году при содействии общества поощрения художеств и лично конференц-секретаря Академии художеств В. И. Григоровича, Орлов получил возможность отправиться в Италию. Пимен Никитич поселяется в Риме, где достаточно быстро завоевывает известность своими картинами, выполненным в традиционном итальянском варианте бытового классицизма с его преувеличенной красотой в изображении персонажей и обстановки. Наличие постоянных заказов от местных жителей было очень важно для художника, так как для него это по-прежнему был основной и, пожалуй, единственный регулярный источник дохода
Только в 1848 году Пимену Никитичу удалось прислать в Санкт-Петербург картину «Девушка, моющая белье», за которую ему, по ходатайству Академии, обратившей внимание императора Николая I на то, что Пимен Никитич хочет себя посвятить исторической живописи, была назначена на год пенсия в 300 руб.
В 1849 году всем пенсионерам, а в том числе и Орлову, было велено вернуться в Россию, однако Орлов сумел убедить правительство разрешить продолжить ему оставаться в Италии в связи с болезнью глаз и необходимостью окончить заказанные ему картины, уже начатые им.
Орлов останется в Италии ещё на 16 лет. За это время он напишет множество мастерски выполненных картин: «Октябрь месяц в Риме» (в двух редакциях: «Итальянское Утро» и «Сцена из римского карнавала»); «Девушка, прогуливающаяся по Porte d’Anzio»; «Обет Мадонне», «Возвращение с жнитвы» и «Ave Maria», портреты великой княгини Ольги Николаевны, госпожи Третьяковой и др. Большинство своих полотен Орлов выставлял в Риме и был довольно известен итальянской публике. Местные критики очень тепло отзывались о его работах. Часть своих картин художник отсылал в Россию и на основании их, равно, как и на основании отзывов из Рима, получил в 1857 году звание академика портретной живописи.
На Родину художник так и не вернулся — он умер в Риме 24 сентября (6 октября) 1865 года. Захоронение П. Н. Орлова на римском кладбище Тестаччо до настоящего времени не сохранилось, — прах перенесен в общую могилу у Аврелиевой стены; № 131; МК.
Картины Орлова, вызывавшие похвалы современников, отличаются мягкостью и красотой колорита, наряду с эффектностью освещения и тщательностью отделки. Большую часть работ художника составляют портреты, и жанровые сцены из жизни итальянцев, однако есть произведения исторической тематики и пейзажи.
Большинство произведений Пимена Никитича осталось в Италии и находится в частных собраниях западноевропейских коллекционеров. Однако и в России они пользовались спросом — картины «Молодая римлянка у фонтана», «Итальянское утро» были куплены императором Николаем I, «Раскаяние бандита» приобрел для своей коллекции собиратель Шулепников.
В настоящее время картины Орлова представлены во многих музеях России и стран СНГ — Третьяковской галерее, Тверской областной картинной галерее, Закарпатском областном художественном музее имени Й. Бокшая (Украина) и другие.
«Портрет неизвестной в придворном русском платье», Около 1835, Эрмитаж.
«Женщина в сиреневом платье».
«Портрет Марии Аркадьевны Бек», 1839, Государственная Третьяковская галерея..
«Неаполитанка», 1839, Херсонкий областной художественный музей им. А.А.Шовкуненко.
«Итальянка с цветами», 1853, Иркутский областной художественный музей им. В.П.Сукачева.
«Групповой портрет сестер: писательницы графини Елизаветы Васильевны Салиас де Турнемир, художницы Софьи Васильевны Сухово-Кобылиной и Евдокии Васильевны Петрово-Соловово», 1847, Государственная Третьяковская галерея.
«Октябрьский праздник в Риме», 1851, Государственная Третьяковская галерея..
«Сцена из римского карнавала», 1859, Государственный Русский музей.
«Напутствие великого князя Михаила Тверского», 1847, Тверская областная картинная галерея.
«Архитектурный пейзаж», 1850-е гг., Закарпатский областной художественный музей имени Й. Бокшая.