Родился в семье новгородского губернатора Григория Ивановича Орлова. Детство его прошло в Москве. Начальное образование получил дома.

В 1749 году записан в лейб-гвардии Семёновский полк рядовым. В 1757 году переведён офицером в армию и принял участие в Семилетней войне. В сражении при Цорндорфе был трижды ранен, но поле боя не покинул. В 1759 году переведён на службу в столицу в один из артиллерийских полков. Красивый, хорошо сложенный, кутила и игрок, Григорий Орлов составил себе в Санкт-Петербурге славу «Дон Жуана». Благодаря этой репутации им заинтересовалась супруга императора Петра III, Екатерина Алексеевна (в будущем императрица Екатерина II). Смелый, решительный характер Орлова привлёк её симпатии, и она доверила Григорию Орлову свою судьбу.

Григорий Орлов помог Екатерине совершить дворцовый переворот 1762 года, в результате которого она стала императрицей. Этот успех вознёс Орлова на вершину почестей и влияния. В день восшествия Екатерины II на престол Григорий Орлов был произведён из капитанов в генерал-майоры, а также пожалован званием камергера и награждён орденом Св. Александра Невского. В день коронации императрицы Григорий Орлов был произведено в генерал-поручики и в генерал-адъютанты. Все пятеро братьев Орловых были пожалованы графским достоинством.

Одно время императрица даже думала о бракосочетании со своим фаворитом, но, в конце концов, это бракосочетание не состоялось.

Григорий Орлов не был выдающимся государственным деятелем. Но на всех государственных должностях, на которые он был назначен по воле императрицы, Орлов был полезным и преданным подданным. Так, осенью 1771 года, будучи посланным в Москву, для прекращения эпидемии чумы, Григорий Орлов с этой задачей блестяще справился. Именно в это время, благодаря знакомству с Г. Орловым, началась карьера обер-полицмейстера Москвы Н. П. Архарова. 

16 июня 1777 года 43-летний Григорий Орлов женился на своей 18-летней двоюродной сестре Екатерине Зиновьевой, но брак не был долгим. Супруга скончалась в Лозанне в июне 1781 года в возрасте 22 лет от чахотки, после чего Орлов тронулся рассудком и впал в детство. Скончался Орлов в своём имении Нескучное под Москвой в ночь на  24 апреля 1783 года.