Николай Александрович Орлов родился 8 апреля 1855 г.  в дворянской семье в Московской губернии. Образование получил во 2-й Московской военной гимназии. В службу вступил 12 июля 1871 года. Окончил Михайловское артиллерийское училище (1874); был выпущен подпоручиком (ст. 07.08.1874) в 13-ю артиллерийскую бригаду. Получил звание поручика (ст. 09.12.1876). 

Участвовал в русско-турецкой войне 1877-1878 гг. Получил звание штабс-капитана (ст. 26.12.1877). Окончил Николаевскую академию Генерального Штаба (по 1-му разряду); получил звание капитана (ст. 22.04.1881). Позднее он был назначен старшим адъютантом штаба 1-го армейского корпуса (18.12.1881-21.08.1882), старшим адъютантом штаба Гвардейского корпуса (21.08.1882-11.10.1884). 

Одновременно Н. А Орлов преподавал в Павловском военном училище и Пажеском корпусе; был помощником главного редактора «Энциклопедии военных и морских наук». Член Комиссии по применению воздухоплавания к военным целям и Электротехнического комитета Главного инженерного управления (1885). Также он занимал должность младшего и старшего делопроизводителя канцелярии Военно-ученого комитета Главного штаба (11.10.1884-30.01.1897). Получил звание подполковника (ст. 24.03.1885). Цензовое командование батальоном отбывал в лейб-гвардии Егерском полку (18.09.1888-18.09.1889); получил звание полковника (пр. 1889- ст. 30.08.1889- за отличие). 

Занимал должность экстраординарного (04.06.1892-15.12.1894) и ординарного (15.12.1894-05.12.1901) профессора Николаевской академии Генерального штаба. Получил звание генерал-майора (06.12.1899 —  за отличие). Затем он был назначен командующим Забайкальской казачьей пешей бригадой (05.08.-26.11.1900); участвовал в Китайской кампании 1900-1901 гг.; был ранен. Получил Высочайший выговор за неисполнение возложенного на него поручения по устройству этапной линии Цицикар-Хайлар (вместо этого Орлов двинул свою бригаду к Гирину по следам отряда генерала П.К. Ренненкампфа). 

Н.А. Орлов командовал 54-й пехотной резервной бригадой (05.12.1901-01.06.1904) и 54-й пехотной дивизией (развернутой из этой бригады в 1904) (01.06.-21.09.1904); участвовал в русско-японской войне 1904-1905 гг., где приобрел известность крайне неудачными действиями своей дивизии под Ляояном. Был ранен и контужен. Состоял в распоряжении начальника Главного штаба (21.09.-21.10.1904), Главнокомандующего на Дальнем Востоке (21.10.1904-11.01.1906). Получил звание генерал-лейтенанта (за отличие). 

В 1904 г. Орлов был назначен исполняющим должность дежурного генерала 1-й Маньчжурской армии (01.11.-07.11.1904),  начальником 3-й пехотной дивизии (11.01.1906-22.09.1910), потом — 12-й пехотной дивизии (22.09.1910-02.10.1914). За отличие он был награжден Георгиевским оружием (ВП 11.10.1914), получил звание генерала от инфантерии (за отличия в делах). С сентября 1914 г. он командовал 8-м армейским корпусом. С декабря 1914 г. (после неудачных боев 8-й армии в долине р. Лаборча) он находился в резерве чинов при штабе Киевского ВО. В мае 1915 года был уволен со службы по болезни.