Василий Фёдорович Орлов родился 15 февраля 1916 года на станции Волосово (ныне город в Ленинградской области) в семье унтер-офицера царской армии Фёдора Михайловича и Марии Иосифовны. Русский.
С июня 1932 года В. Ф. Орлов студент Ленинградского индустриального института. С ноября 1933 года по ноябрь 1937 года проходил обучение в Военной академии механизации и моторизации РККА им. И. В. Сталина. После окончания академии работал на Ленинградском авторемонтном заводе начальником цеха, затем техническим директором. С июля 1939 года главный техник, механик и главный инженер Ленинградского государственного механического завода.
В начале Великой Отечественной войны В. Ф. Орлов в должности командира отдельного батальона тяжёлых танков участвовал в боях в районе Невской Дубровки, был ранен. С октября заместитель командира, а с ноября 1941 года командир 107-го танкового полка в составе 8-й армии Ленинградского фронта. В мае 1942 года назначен командиром 119-й танковой бригады. Отличился в боях под Ржевом. В наградном листе указано:
С ноября 1942 года командир 31-й танковой бригады. В том же году вступил в ряды ВКП(б). С апреля 1943 года командовал 8-й гвардейской танковой бригадой в составе 20-го танкового корпуса. В ходе боевых действий войска под командованием Орлова отличились в Корсунь-Шевченковской наступательной операции при освобождении городов Звенигородка и Шпола.
6 декабря 1944 года В. Ф. Орлов вступил в командование 6-м гвардейским механизированным корпусом 4-й танковой армии 1-го Украинского фронта, став самым молодым командиром корпуса в Красной Армии. В ходе Висло-Одерской наступательной операции корпус под его командованием сходу форсировал р. Одер и, захватив плацдарм, обеспечил условия для переправы частей 13-й армии. В дальнейшем 6-й гвардейский механизированный корпус участвовал в Нижне-Силезской и Верхне-Силезской наступательных операциях.
17 марта 1945 года в бою в районе г. Оппельн Василий Фёдорович Орлов был тяжело ранен и на следующий день скончался (по другим данным скончался 19 марта).
6 апреля 1945 года указом Президиума Верховного Совета СССР за умелое командование частями мехкорпуса, образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом геройство и мужество гвардии полковнику Орлову Василию Фёдоровичу посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.
В 2009 году именем Василия Фёдоровича Орлова названа школа № 237 города Москвы.