Дмитрий Анатольевич Орлов родился 7 октября 1971 года в Москве. В раннем детстве он отличался весьма хулиганистым и бунтарским характером, поэтому мама решила направить бьющую через край энергию сына в конструктивное русло и записала его во множество кружков. Среди них оказалась и детская театральная студия под руководством Вячеслава Спесивцева. Эксперимент увенчался успехом: уже в десятилетнем возрасте мальчик дебютировал в кино, а чуть позже впервые вышел на профессиональную театральную сцену.
Когда Дмитрию исполнилось пятнадцать лет, в семье произошло горе — скоропостижно скончался отец. Будучи старшим ребенком, юноша взял на себя роль главы семьи и основную ответственность за близких. Он стал главной опорой для мамы, помогая ей вырастить и поднять на ноги младшего брата и двух сестер. Ради благополучия семьи Дмитрий отложил собственные планы на высшее образование и сразу после школы устроился на работу. Благодаря его труду и поддержке младшие дети впоследствии смогли получить престижное юридическое образование.
Сам Дмитрий подал документы в вуз с небольшим опозданием, но в выборе профессии не сомневался. Он твердо решил поступать на актерский факультет Всероссийского государственного института кинематографии (ВГИК). В 1996 году Орлов успешно окончил мастерскую во ВГИКе и 본격но начал свою взрослую кинокарьеру.
Его первым шагом в профессии стала короткометражная лента «Стена», являвшаяся дипломной работой одного из выпускников института. Во взрослом кинематографе Орлов ярко заявил о себе, снявшись в эпизодических, но заметных ролях в культовом боевике Алексея Балабанова «Брат 2» и трагикомедии «Москва». Настоящим прорывом для актера стали криминальная драма «Сестры» Сергея Бодрова-младшего и необычная мелодрама «Небо. Самолет. Девушка». Несмотря на то, что в последней картине его персонажа Георгия переозвучил Константин Хабенский, именно эта роль стала для Дмитрия официальным билетом в большое кино.
В последующие годы фильмография Орлова стремительно пополнялась главными ролями. Среди наиболее успешных проектов начала 2000-х годов выделяются детектив «Зачем тебе алиби?», комедия «Ищу невесту без приданого», мелодрама «Надежда уходит последней», фантастическая картина «Голова классика», приключенческий боевик «Стая» и новогодняя лента «С Новым годом, папа!».
Новая волна популярности и признания критиков обрушилась на актера в 2005 году после главной роли в военной драме «Первый после Бога», где он сыграл отважного капитана Маринина, а также после выхода масштабного криминального телесериала «Воротилы». Закрепить успех помогли роли в мистическом триллере «Путевой обходчик», приключенческом сериале «Морской патруль», мелодраме «Катино счастье», научно-фантастическом фильме «Контакт 2011» и остросюжетном боевике «Дружба особого назначения».
Дмитрий Орлов зарекомендовал себя как истинный трудоголик, успевая сниматься в нескольких разножанровых проектах одновременно. Поклонники ежегодно могли видеть любимого артиста в самых полярных амплуа. Заметными работами этого периода стали роли в военной драме «Доставить любой ценой» (2011), остросюжетной социальной картине «У Бога свои планы» (2012), а также в романтических мелодрамах «Зимний вальс» (2013) и «Ненавижу и люблю» (2015).
Параллельно со съёмками Дмитрий попробовал себя на телевидении в качестве телеведущего. Он стал одним из соведущих яркого ток-шоу «Между нами, девочками» на Первом канале, где в компании близких друзей приглашал в студию знаменитостей для откровенного и непринужденного разговора.
Талант Орлова проявился не только в кадре, но и по другую сторону камеры. В качестве режиссера он снял такие картины, как «Дочь генерала», «Чартер» и «Золото Кольджата», а в сатирической комедии «Московский фейерверк» выступил одновременно режиссером, продюсером и автором сценария.
В сентябре 2017 года на телеканале «Россия-1» состоялась большая премьера многосерийной драмы Сергея Борчукова «Благие намерения», где Дмитрий исполнил одну из ключевых ролей. Сюжет телесериала разворачивается вокруг сложных, порой разрушительных взаимоотношений внутри семьи влиятельного провинциального бизнесмена Фирсова-старшего, чьи взрослые дети несчастливы в браке.
В 2018 году Дмитрий Анатольевич порадовал ценителей своего таланта участием в масштабной семейной саге «Чужая кровь», где убедительно сыграл жесткого полковника Огарева, состоящего в тайных отношениях с одной из главных героинь, Вилорой.