Родился в селе Покров, ныне Княгининского района Нижегородской области.

Окончил Императорский Московский университет (1894).

1894-1910 - преподавал в Костромском химико-технологическом училище. Развил и обосновал теорию о механизме сложных реакций, которые непосредственно не описываются кинетическими уравнениями первого, второго и третьего порядков.

В 1908 году осуществил второй в истории химии (после получения метана в 1902 П. Сабатье) каталитический синтез на основе водорода и оксида углерода, получив этилен. Орлов изучил и описал динамику процесса. Впоследствии (1926) этот способ был усовершенствован немецкими химиками Ф. Фишером и Г. Тропшем.

В 1909 году по его проекту построен первый в Российской империи формалиновый завод.

1911-1927 - профессор кафедры технологии минеральных веществ Харьковского технологического института.

1927-1932 - возглавлял Украинский научно-исследовательский институт силикатной промышленности.

Академик Академии наук Украинской ССР (1929).

С 1932 года - профессор Московского химико-технологического института.

Автор трудов по химической кинетике и катализу, производству соды, серной кислоты.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (18.12.1940).

Жил в Москве, похоронен на Введенском кладбище.

Награды: орден Трудового Красного Знамени (17.12.1940).