Kevään 1937 niin sanotun Barcelonan toukokuun tapahtumien jälkeen Orlovin päätehtäväksi Espanjassa tuli Stalinin linjaa vastustaneiden tasavaltalaisten, kuten trotskilaisten ja anarkistien, pidätykset ja teloitukset. Hän osallistui muun muassa POUM-puolueen johtajan Andrés Ninin sekä riippumattoman vasemmistoaktivistin José Roblesin murhiin.