Председатель совета правозащитного центра "Мемориал", член правления одноименного международного историко-просветительского правозащитного и благотворительного общества. В 2004-2006 годах был членом Совета при президенте РФ по содействию развитию институтов гражданского общества и правам человека.
Олег Петрович Орлов родился 4 апреля 1953 года в Москве. Его отец, Петр, был инженером, увлекался туризмом. Мать Орлова, Светлана, была учительницей русского языка и происходила из дворянско-буржуазной московской семьи. Орлов отмечал, что их семью затронули репрессии: его дед по материнской линии Николай Радченко в 1930-е годы работал на одном из московских заводов, тогда ГПУ пыталось склонить его к сотрудничеству, на что тот не мог ответить ни согласием (предать всех), ни отказом (подвергнуть семью репрессиям). Следствием этого давления стало нервное заболевание Радченко, и во время Великой отечественной войны он скончался. Отец Орлова состоял в рядах КПСС и при этом был убежденным антикоммунистом. В школе мальчик не мог согласиться с политической позицией отца, но впоследствии принял ее.
Орлов с первой попытки не смог поступить на биологический факультет Московского государственного университета (МГУ) и начал учиться в Сельскохозяйственной академии имени Тимирязева. Благодаря отличным оценкам он перевелся после третьего курса на биофак МГУ на кафедру физиологии растений. После окончания МГУ он работал в лабораториях и виварии Института физиологии растений Академии наук СССР. Также он писал диссертацию, но защищаться не стал, окончательно Орлов оставил научную работу в 1991 году.
Уже во время работы в институте, в 1979 году, после начала войны в Афганистане, Орлов самостоятельно изготовил примитивный копировальный аппарат (гектограф) и в течение двух лет расклеивал политические листовки, посвященные войне, ситуации в Польше и деятельности движения "Солидарность". В 1988 году Орлов стал одним из первых членов инициативной группы "Мемориал", основной целью которой тогда было обнародование сведений о репрессиях в СССР и освобождение политзаключенных. Впоследствии на ее основе было сформировано Всесоюзное добровольное историко-просветительское общество "Мемориал", координатором выборного комитета которого стал Орлов. В 1988-1989 годах он активно участвовал в подготовительном и учредительном съездах "Мемориала". Движение было зарегистрировано в 1991 году, позднее его переименовали в Международное историко-просветительское правозащитное и благотворительное общество "Мемориал". Орлов стал одним из членов правления организации.
В 1990 году Орлов участвовал в деятельности избирательного блока "Выборы-90", был доверенным лицом правозащитника Сергея Ковалева на выборах в Верховный совет РСФСР а после его избрания работал в аппарате Верховного совета, занимал должность ведущего специалиста комитета по правам человека. Одновременно Орлов стал председателем совета правозащитного центра "Мемориала". Он бывал в горячих точках: Нагорном Карабахе и Приднестровье, где являлся наблюдателем с обеих сторон. Параллельно Орлов участвовал в передачах на радио "Россия", посвященных правам человека.
Начиная с 1994 года Орлов вместе с Ковалевым, занявшим пост председателя Комитета по правам человека при президенте России, работал в зоне военного конфликта в Чечне, лично встречался с чеченскими лидерами Джохаром Дудаевым и Асланом Масхадовым, участвовал в переговорах об обмене пленными и инспектировал госпиталя и лагеря для военнопленных. Так, в 1995 году в Буденновске отряд боевиков под командованием Шамиля Басаева захватил в заложники около полутора тысяч человек - тогда парламентеры во главе с Ковалевым, среди которых был и Орлов, сумели договориться об освобождении 111 женщин и детей. Впоследствии Орлов и правозащитный центр "Мемориал" много внимания уделяли проблеме похищения людей на Кавказе и жертвам среди мирного населения Чечни и Ингушетии. От предложения Ковалева начать работу в президентской правозащитной структуре он отказался.
В 2004 году Орлов стал членом Совета при президенте РФ по содействию развитию институтов гражданского общества и правам человека под председательством Эллы Памфиловой. В 2006 году правозащитник вышел из него в знак протеста против комментария российского президента Владимира Путина по поводу убийства журналиста Анны Политковской, в котором он заявил, что это убийство нанесло России больший урон, чем ее публикации. Также Орлов был членом Группы за объединение в защиту гражданских и экономических прав "Общее действие", а в 2006 году вошел в координационный совет Российского антифашистского фронта. На этом посту он выступал против деятельности возглавляемого Александром Беловым "Движения против нелегальной иммиграции" (ДПНИ) и притеснения кавказцев в Москве.
В 2007 году в Ингушетии, президентом которой был Мурат Зязиков, участились случаи похищений и убийств мирного населения. Подготовленный "Мемориалом" отчет "Ингушетия: 2007 год. Куда дальше?" определял ситуацию в этой северокавказской республике как близкую к катастрофе. 23 ноября 2007 года Орлов вместе со съемочной группой телекомпании "Рен ТВ", приехавшие в командировку, были похищены из гостиницы "Асса" в Назрани. На следующее утро их обнаружили избитыми около станицы Нестеровская. Впоследствии Орлов уверенно заявлял, что его похищали сотрудники силовых ведомств республики, недовольные поддержкой местной оппозиции, которую оказывал "Мемориал".
15 июля в 2009 года в Грозном была убита сотрудница правозащитного центра "Мемориал" Наталья Эстемирова. Орлов обвинил в этом убийстве президента Чечни Рамзана Кадырова: по его словам, Кадыров считал Эстемирову личным врагом и угрожал ей. Чеченский лидер эти обвинения отверг и даже лично звонил Орлову, чтобы убедить того отказаться от своих слов, но затем подал в суд на правозащитника, обвинив в оскорблении чести и достоинства, а также обратившись в ГУВД Москвы с просьбой возбудить уголовное дело против Орлова по факту клеветы. На это Орлов заметил, что против "Мемориала" и раньше выдвигались обвинения в клевете, однако эти дела закрывались, поскольку следствие не могло доказать, что заявления правозащитного центра были неправдой. 19 июля Орлов объявил, грозненский филиал "Мемориала" приостановил свою работу "в связи с враждебным отношением со стороны руководства республики". Это решение подверг критике уполномоченный по правам человека в Чечне Нурди Нухажиев, он же пригласил сотрудников "Мемориала" войти в состав своего аппарата.
3 сентября 2009 года следственное управление при ГУВД Москвы отказалось рассматривать уголовный иск Кадырова, однако это решение было отменено Московской городской прокуратурой 24 сентября. Рассмотрение гражданского иска об оскорблении чести и достоинства чеченского президента в Тверском районном суде города Москвы было намечено на 25 сентября. 6 октября Тверской районный суд частично удовлетворил иск Кадырова, постановив взыскать 50 тысяч рублей в пользу истца у "Мемориала" и 20 тысяч у Орлова. После оглашения решения суда, "Мемориал" и Орлов направили кассационную жалобу.
27 октября 2009 года стало известно, что управление организации дознания ГУВД Москвы приняло заявление Кадырова и возбудило уголовное дело против Орлова по обвинению в клевете.
В октябре 2009 года Европейский парламент наградил "Мемориал" и Олега Орлова премией Андрея Сахарова.
Кроме правозащитной деятельности Орлов называл своим главным увлечением туристические походы.