W roku 1802 wyjechał na Litwę, a stamtąd do Petersburga, gdzie zamieszkał na stałe, zyskując wkrótce ogromną popularność. Został nadwornym rysownikiem wielkiego księcia Konstantego, pracował też dla cesarza Aleksandra I. W roku 1809 otrzymał tytuł akademika petersburskiej Akademii Sztuk Pięknych.
Był przede wszystkim rysownikiem, chętnie malował też pastelami i olejno. Tematyka jego prac była różnorodna: tworzył sceny batalistyczne, rysował i malował wschodnich jeźdźców, charakterystyczne typy ludowe, sceny z życia wsi, pejzaże, portrety i karykatury. Od 1816 zajmował się litografią, popularyzując tę technikę na terenie Rosji; wykonał, m.in. 62 litografie do dzieła francuskiego autora G. Drouville’a „Voyage en Perse, pendant les annees 1812 et 1813” (St. Petersburg, 1819).

Był wybitną postacią polskiej kolonii artystycznej w Petersburgu. Z podziwem pisał o Orłowskim Aleksander Puszkin, odnajdujący w jego sztuce cechy bliskie własnym, romantycznym ideałom, a zaprzyjaźniony z nim Adam Mickiewicz po latach poświęcił „naszemu malarzowi Orłowskiemu” kilka wierszy w „Panu Tadeuszu”.