российский физик и общественный деятель. Доктор физико-математических наук (1963). Член-корреспондент Академии наук Армянской ССР (1968). Старший научный сотрудник Института земного магнетизма и распространения радиоволн Академии наук СССР (с 1972). Профессор Корнелльского университета (с 1986). Автор сотен научных публикаций, участник диссидентского движения, эмигрант из СССР.
С 1941 г. работал токарем на заводе. Служил в армии, окончил военное училище, участник Великой Отечественной войны (на 1-м Украинском фронте). С 1946 г. – в запасе. Работал истопником на фабрике в Москве, экстерном окончил среднюю школу. С 1947 по 1951 гг. учился на физико-техническом факультете Московского государственного университета (МГУ) (с 1951 г. – МФТИ), получил диплом физфака МГУ в 1952 г. В 1953 г. стал сотрудником ТТЛ – Теплотехнической лаборатории Академии наук СССР. В то время ТТЛ была одной из сверхсекретных лабораторий «Атомного проекта СССР» (в 1958 г. ТТЛ переименована в Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ)). В 1956 г. на партийном собрании, посвященном обсуждению доклада Н. С. Хрущева на ХХ съезде КПСС, выступил с заявлением, в котором он назвал И. Сталина и Л. Берию «убийцами, стоявшими у власти» и выдвинул требование «демократии на основе социализма». Вскоре был исключен из коммунистической партии за социал-демократизм, лишен допуска к работе с секретными документами и уволен из института. Директор Физического института Академии наук Армянской ССР А. Алиханьян принял его на работу, и следующие 16 лет он жил и работал в Ереване.
С 1956 г. стал сотрудником Ереванского физического института Академии наук Армянской ССР. Разработал теорию устойчивости пучков в электронном кольцевом ускорителе и внес значительный вклад (совместно с А. П. Рудиком) в проектирование жесткофокусирующих ускорителей протонов в ИТЭФ. Автор самиздата: статьи «О причинах интеллектуального отставания СССР» (1973), «Возможен ли социализм не тоталитарного типа?» (1975). Автор автобиографического романа «Опасные мысли». Член советской группы «Международной амнистии» (с 1973). Основатель и первый руководитель Московской Хельсинкской группы (МХГ, с 1976). 17 декабря 1976 г. совместно с другими правозащитниками пишет открытое письмо в защиту В. Буковского от клеветы на страницах «Литературной газеты». Политзаключенный (1977-1984, 1984-1986 в ссылке). Лишен звания члена-корреспондента (1979). В июле 1983 г. австрийский канцлер Бруно Крайский ходатайстовал об освобождении Орлова, чтобы приютить его в Австрии, но это ходатайство было предумышленно оставлено без ответа. Был лишен советского гражданства и выслан из СССР в обмен на арестованного в США советского разведчика Захарова (1986). Почетный председатель Международной Хельсинкской федерации по правам человека (с 1986). Член Американской академии искусств и наук. В 1995 г. Американское физическое общество наградило Орлова медалью Николсона за гуманитарную деятельность. В 2006 г. стал первым награжденным премией А. Сахарова, учрежденной Американским физическим обществом за заслуги ученых в вопросах защиты прав человека. Один из героев документального фильма «Они выбирали свободу» (RTVi, 2005).