Orlow diente nach Besuch der Kadettenschule im Semjonowskoje-Leibgarderegiment im Rang eines Hauptmanns. Er nahm sowohl am Siebenjährigen Krieg als auch am 5. Russischen Türkenkrieg teil. Mit seinen Brüdern war er an der Planung des Staatsstreichs gegen Kaiser Peter III. am 9. Juli 1762 beteiligt. Orlow weihte Rasumowski in die Umsturzpläne ein. Dieser wollte das Ismailowski-Leibgarderegiment der russischen Garde mobilisieren und als Präsident der Russischen Akademie der Wissenschaften in Sankt Petersburg öffentliche Erklärungen drucken. Nach dem geglückten Coup d’État wurde er im selben Jahr – zusammen mit seinen Brüdern – am 22. September in den Grafenstand erhoben. 1764 wurde er zum Ritter des Alexander-Newski-Ordens geschlagen. Ab 1767 wurde er mit anderen mit der Ausarbeitung eines neuen Gesetzbuches beauftragt. 1770 verließ er den Zivildienst und schloss sich dem Geschwader von "Admiral Spiridonow" () an und wurde für seine Beteiligung an der Eroberung der Festung in der See-Schlacht von Çeşme ausgezeichnet. Er wurde zum Generalleutnant befördert und erhielt das mit Diamanten besetzte Goldene Schwert für Tapferkeit. Im Januar 1772 kehrte er nach St. Petersburg zurück. Am 22. September 1772 wurde ihm das Komturkreuz (2. Klasse) des russischen St.-Georg-Ordens verliehen. Im Jahr 1775 verließ er die russische Armee im Rang eines General en chef.