Участник русско-японской войны 1904—1905 годов. С 21 октября 1904 по 11 января 1906 года находился в распоряжении Главнокомандующего на Дальнем Востоке. В Ляолянском сражении командовал сводным отрядом Восточной группы генерала А. А. Бильдерлинга, который в условиях полнейшей неясности обстановки и многочисленных взаимоисключающих друг друга приказов вышестоящего командования выдержал трудное многочасовое сражение с превосходящими силами 1-й японской армии генерала Куроки, понёс значительные потери; после боя именно Орлова обвинили в поражении, а войска под его командованием в бегстве, которого на самом деле не было. В этом сражении сам Орлов был ранен и контужен. в ноябре 1904 года исполнял должность дежурного генерала 1-й Маньчжурской армии. 25 сентября 1905 года был произведён в генерал-лейтенанты.