Родился 22 августа1921 года в селе Мегра Белозерского уезда Череповецкой губернии (село было затоплено при строительстве сооружений Волго-Балтийского водного пути, ближайший нынешний населенный пункт - поселок МегринскийБелозерского районаВологодской области, не путать с селом МеграВытегорского и деревней МегриноЧагодощенского районов Вологодской области). Отец, Сергей Николаевич, и мать, Екатерина Яковлевна, были сельскими учителями. Стихи писал с детства, стихотворение «Тыква» отмечено на Всесоюзном конкурсе стихотворений школьников в 1938 году. Оно было целиком приведено в статье К. И. Чуковского в газете «Правда»[4], а также 4 строчки из него поместил в своей книге «От двух до пяти».
Совместно с М. А. Дудиным он написал сценарий фильма «Жаворонок» (1964), посвящённый подвигу танкистов, оказавшихся в плену на территории Германии.
В 1970 году его ввели в секретариат правления СП РСФСР, и он переехал в Москву. Позднее поэт стал членом комитета по присуждению Ленинских и Государственных премий. Книга «Костры», которая составлялась Орловым как итоговая, вышла уже после его смерти (1978).
Одно из наиболее известных стихотворений Орлова[4] — «Его зарыли в шар земной» (1944) — написанное ясным, образным простым языком, напоминает читателю о павших. <…> Через много лет после окончания войны в лирике Орлова главной темой всё ещё оставалось пережитое на войне и воспоминания о погибших товарищах. В стихотворениях Орлова, написанных в последние годы сталинизма, не заняла прочного места расхожая тема послевоенного восстановления хозяйства, но зато он нарисовал портреты простых людей, рассказал об их судьбах, используя лирические образы, навеянные тишиной севера России — родины поэта. Орлов часто описывает в своих стихотворениях самые простые, будничные предметы. Многие стихи Орлова середины 60-х годов посвящены месту человека в истории[6].
Именем Сергея Орлова был назван один из пассажирских рейсовых теплоходов[9].
Его именем в городе Белозерске Вологодской области названа одна из улиц и МОУ СШ № 2. С 1981 года в городе работает дом-музей поэта С. Орлова. Он находится в деревянном здании 1874 года постройки, в котором семья Орловых проживала с 1936 по 1942 год (адрес — улица Дзержинского, 12)[10][11].
