Павел Николаевич Орлов родился 22 февраля (6 марта) 1869 года в Москве в семье мелкого купца.
В 1881 году втайне от родителей, которые не одобряли его увлечения театром, сыграл свою первую роль — брата невесты в драматическом представлении «Русская свадьба в исходе XVI века» П. П. Сухонина. По рекомендации Г. Н. Федотовой поступил на драматические курсы при московском Малом театре. В 1886 году впервые выступил на сцене Малого театра в роли Капитоши в пьесе «Наш друг Неклюжев» Пальма.
С 1886 по 1891 год играл в провинциальных театрах (Вологды, Риги, Нижнего Новгорода, Вильно, Минска, Ростова-на-Дону), в 1893—1895 — в московском Театре Корша, в 1895—1902 — по приглашению А. Суворина в Театре Литературно-художественного общества в Петербурге (Петербургском малом театре). Гастролировал с антрепризами в разных городах России.
Начинал с водевильных и характерных ролей, амплуа комического простака. Трагедийное дарование Орленева раскрыла сыгранная в 1898 году роль царя Фёдора Иоанновича (это было первое исполнение роли на сцене) в пьесе «Царь Фёдор Иоаннович» А. К. Толстого: актёр создал образ честного человека, который не может ни смириться с условиями жизни, ни преодолеть их.
Царь Фёдор Иоаннович и многие другие образы, созданные Орленевым (Раскольников, Дмитрий Карамазов, Освальд), вошли в историю русского театра. Орленев стал в сущности родоначальником амплуа «неврастеников» в русском театре. Его актёрская манера была основана на обостренных личных переживаниях, психологическом натурализме, подчеркнутом трагизме, двойственности. Трагедию Раскольникова актёр увидел в том, что «параллельно с крахом идеи Раскольникова, униженного бессмыслицей своей дерзкости, происходит его нравственный рост». Дмитрий Карамазов в его трактовке представал человеком раздираемым страстями: «Нервное подвижное лицо, слегка тронутое гримом, выражало усталость, разочарованность и только изредка сменялось выражением какой-то бесшабашной удали. Голос несколько сипловатый, с кое-где выскакивающими истерическими нотами, дополнял картину душевного разлада, который шел внутри Мити»
Сочетанием бунта и смятения привлекла его и роль Сольнеса в драме Г. Ибсена «Строитель Сольнес». «Он не соглашался с современной критикой, называвшей этого „ибсеновского эгоиста“ великим дерзателем. Несомненно, что Сольнес как личность подымается над средним уровнем, но как далек он от брандтовского титанизма».
Орленев возглавил собственную труппу, гастролировал по России и Европе (Германии, Великобритании, Швеции, Норвегии), а также США. В 1906 году он строит крестьянский театр в Сызранском уезде, организует здесь и позднее в Голицыно под Москвой бесплатные спектакли для крестьян.
В 1913—1915 годах снимался в кино.
Орленев оставил мемуары «Жизнь и творчество русского актера Павла Орленева, описанные им самим» (первое издание — 1931 год).
Павел Орленев умер 31 августа 1932 года в Москве.