Граф Орлов-Денисов родился в 1802 г. и был сын известного героя Отечественной войны графа Василия Васильевича Орлова-Денисова.
Службу начал юнкером в Лейб-гвардии Казачьем полку и 30 августа 1821 г. был произведён в корнеты.
В 1828 г. принял участие в войне с турками и особенно отличился в сражениях: при деревне Габерти, за которое был награждён орденом св. Анны 3-й степени с бантом, при горе Куртине, и в кавалерийских делах близ деревни Гаджи-Алан-Лих. Тотчас по окончании этой войны Орлов-Денисов был командирован на границу Подольской и Херсонской губерний, где более месяца находился при содержании кордонной линии, для охранения края от чумной заразы, после чего до половины февраля 1830 г. занимал кордоны по реке Днестру.
В 1831 г. принимал участие в подавлении Польского восстания, причём особенно отличился в схватках у селений Присетицы, Старый Яцак, при Остроленке и других. Затем 5 июня он с двумя эскадронами Лейб-гвардии Казачьего полка атаковал авангард отряда Гельгуда, разбил его и взял много пленных, а 16 июля с своим эскадроном атаковал значительный отряд мятежников, разбил его и взял в плен двух штаб-офицеров, 30 обер-офицеров и около 500 человек нижних чинов. За отличия, выказанные в этих делах, он был произведён в ротмистры и награждён орденом св. Станислава 3-й степени.
По окончании Польской кампании граф Орлов-Денисов возвратился в Петербург. Назначенный 23 апреля 1834 г. флигель-адъютантом, он был 25 июня 1837 года произведён в полковники, а с производством 7 апреля 1846 года в генерал-майоры, назначен в свиту Его Императорского Величества, 1 января 1847 г. наргаждён ордном св. Георгия 4-й степени за выслугу 25 лет в офицерских чинах (№ 7535 по списку Григоровича—Степанова).
В 1849 г. граф Орлов-Денисов был назначен исполняющим должность начальника штаба войска Донского с оставлением в свите, и в конце того же 1848 г. — председателем в комиссиях для размежевания земель войска Донского и для постройки соборного храма в г. Новочеркасске и Ольхинской дамбы, с предоставлением ему вместе с тем присутствования и заведывания главным управлением войсковых конских заводов; вскоре состоялось и утверждение его в звании вице президента Новочеркасского тюремного комитета. В 1851 г. он, по болезни, вышел в отставку, но уже 18 июня 1853 г. был назначен исправляющим должность походного атамана казачьих полков, состоявших при войсках 3, 4 и 5-го пехотных корпусов, а в следующем году (11 апреля) назначен генерал-адъютантом.
С началом Крымской кампании граф Орлов-Денисов принял в ней самое деятельное участие, в качестве походного атамана казачьих полков Южной армии, которыми руководил во всех крупных делах, в том числе и в сражениях на реке Чёрной и на Федюхиных высотах. По переходе русских войск с Южной стороны Севастополя на Северную граф Орлов-Денисов был отчислен от должности походного атамана Южной армии и вернулся в Петербург. За отличия, выказанные под Севастополем, ему пожалован был орден св. Анны 1-й степени с Императорской короной и мечами.
Произведённый 26 августа 1856 г. в генерал-лейтенанты, граф Орлов-Денисов последние годы своей жизни не занимал никаких должностей, исполняя лишь обязанности генерал-адъютанта; скончался в Ницце 3 апреля 1865 г.
Он был женат на дочери генерала от кавалерии Елисавете Алексеевне Никитиной.
