Родился 13 августа 1924 года в Москве. В 1947-1952 учился в Московском физико-техническом институте, затем на физическом факультете МГУ. В 1952-1956 - научный сотрудник секретного учреждения, участвовавшего в советской атомной программе (впоследствии - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики). Специализировался в области физики элементарных частиц, подготовил и опубликовал диссертацию, но защитить ее не успел. Последовательно критическое отношение к советской системе сформировалось у Орлова еще в середине 1940-х. Однако лишь в 1956, ознакомившись с секретным докладом Хрущева на ХХ съезде КПСС, он до конца осознал антигуманный характер существующего режима. В начале апреля 1956 на партийном собрании, посвященном обсуждению доклада Хрущева, Орлов назвал Сталина и Берию "убийцами, стоявшими у власти" и выдвинул требование "демократии на основе социализма". Его выступление было поддержано другими ораторами. Этой "антипартийной вылазке" было посвящено специальное закрытое письмо ЦК КПСС, а вскоре в "Правде" появилась статья, посвященная этой же теме. Четверо выступавших (и среди них Орлов) были уволены с работы и исключены из партии. Несколько месяцев он был без работы; в помощь ему и другим уволенным ученые-физики организовали сбор денег. В августе 1956 Орлов был приглашен на работу в Физический институт АН Армянской ССР, находящийся в Ереване. Там он прожил 16 лет, защитил кандидатскую (1958), а затем и докторскую (1963) диссертации, а в 1968 избран членом-корреспондентом республиканской Академии Наук. В 1972 вернулся в Москву и поступил на работу в Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР. В сентябре 1973, под влиянием газетной кампании против Андрея Сахарова, вернулся к общественной активности, отправив Брежневу открытое письмо (известное под названием Тринадцать вопросов Брежневу). Автор выдвигал предложения по ослаблению государственного контроля за экономикой и требовал демократизации советского общества. Это обращение получило широкое распространение в самиздате. В начале 1974 Орлова вновь уволили с работы; с этого момента он жил репетиторством (давал частные уроки). В 1974 он организовал у себя на квартире семинар для ученых, отстраненных от научной деятельности по политическим мотивам. В самиздатской статье Возможен ли социализм не тоталитарного типа (декабрь 1975) Орлов выдвинул концепцию "социализма с децентрализованной частной экономической (и политической) инициативой" без частной собственности, считая на данном этапе самым важным развитие "этического антитоталитарного движения". После подписания Заключительного Акта Хельсинкского Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе (август 1975) Орлов обсудил с Андреем Амальриком и Анатолием Щаранским идею создания в странах, подписавших Хельсинкский акт, независимых от правительств национальных комитетов по контролю за выполнением его гуманитарных разделов. 12 мая 1976 на пресс-конференции в Москве на квартире А.Сахарова было объявлено о создании Общественной группы содействия выполнению Хельсинкских соглашений (Московской Хельсинкской группы, МХГ) во главе с Орловым. Деятельность МХГ встретила резкое противодействие властей. Орлова вызывали в КГБ (для допросов и "предупреждений"), в сводках ТАСС его называли "провокатором", за ним была организована постоянная демонстративная слежка, а в январе 1977 у него на квартире был произведен обыск. 10 февраля 1977 Орлов был арестован. Во время следствия, продолжавшегося более года, виновным в "изготовлении и распространении клеветнических сведений" он себя не признал, доказывал правдивость информации, содержавшейся в документах МХГ. 15-18 мая 1978 дело Орлова, обвинявшегося в "антисоветской агитации и пропаганде", было рассмотрено в Московском городском суде. Он и там не признал себя виновным. В последнем слове он сказал: "Я убежден, что подобные суды не помогут устранить те беды и недостатки общества, о которых свидетельствуют документы Хельсинкской группы и о которых я пытался здесь говорить". Он был приговорен к 7 годам лагерей и 5 годам ссылки. В защиту Орлова была организована широкая международная кампания с участием выдающихся ученых и общественных деятелей из США, Великобритании, Франции, Западной Германии, Швейцарии. Срок он отбывал в пермских политических лагерях, продолжал там правозащитную деятельность, отстаивал право вести научную работу в заключении. В 1978 он был выдвинут А.Сахаровым на Нобелевскую премию мира; а в 1979 Международная лига прав человека наградила Орлова своей премией. В том же году Академия наук Армянской ССР тайно лишила его звания члена-корреспондента. В 1984-1986 Орлов отбывал ссылку в Восточной Сибири. В конце сентября 1986, накануне встречи генерального секретаря ЦК КПСС Горбачева и Президента США Рейгана в Рейкьявике, Орлов был самолетом этапирован в Москву, где в течение трех дней его интенсивно допрашивали. Затем ему был объявлен Указ Президиума Верховного Совета СССР о лишении советского гражданства и высылке за границу. 5 октября 1986 его депортировали в США. За границей Орлов активно включился в общественно-политическую деятельность: участвовал в работе совещаний по безопасности и сотрудничеству в Европе, проводил кампании в защиту советских политзаключенных. В конце 1986 был избран Почетным председателем Международной Хельсинкской федерации. Начиная с июня 1989 Орлов регулярно приезжает в СССР и постсоветскую Россию (гражданство ему было возвращено в августе 1990). В 1990-1991 он активно поддерживал Б. Ельцина в его борьбе против союзного центра, в 1996 предложил свое посредничество для урегулирования российско-чеченского конфликта. В 1991 Орлов издал на английском языке книгу воспоминаний (вышла в России в 1992 под названием Опасные мысли). Общественную деятельность он сочетает с научной работой. Орлов - профессор Корнельского университета (г.Итака, штат Нью-Йорк, США).