Дмитрий Николаевич Орлов родился 8 (20) мая 1892 года в городе Спасске Рязанской губернии (ныне Спасский район Рязанской области).
Учился сценическому искусству в Харькове в студии П. И. Ильина, обучение закончил в 1916 году.
В 1918 году поступил актёром в Харьковскую труппу Н.Н.Синельникова, который оказал большое влияние на формирование таланта Дмитрия Николаевича Орлова.
В 1920 году Орлов играет в Новороссийске под руководством режиссёров В. Б. Вильнера и В.Мейерхольда. Сезон 1921—1922 года отработал в Краснодарском театре имени Луначарского.
В 1922 году Орлов поступил в возглавляемые В. Э. Мейерхольдом Высшие театральные мастерские, участвовал в спектаклях театра мейерхольда, играл, в частности, Расплюева в "Смерти Тарелкина" ССухово-Кобылина, в Брюно в "Великодушном рогоносце". Одновременно в 1922 году стал актёром Московском театре Революции, в котором служил до 1941 года.
С 1931 года выступал на эстраде как чтец, "мастер художественного слова". Репертуар включал произведения русских и советских поэтов и писателей: Н.А.некрасоваЮ П.Ершова, А.твардовского, М.Шолохова и других.
В декабре 1941 года Дмитрий Орлов перешёл во вновь организованный Московский театр драмы, который в 1943 году был слит с Театром Революции; здесь Орлов сыграл одну из лучших своих ролей — Глобу в пьесе Симонова "Русские люди" (1942).
В 1944 году был принят в труппу МХАТа.
Дмитрий Николаевич создавал остро сатирические образы, отличавшиеся точностью социальных, психологических и бытовых характеристик, образы, доходящие остротой своей формы до гротекса.
Народный артист РСФСР (1943).
Лауреат Сталинской премии (1947) - за художественное чтение.
Кавалер орlенов "Знак Почёта" (1939) и Трудового Красного Знамени (1948).
Д. Н. Орлов умер 19 декабря 1955 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 2).