Сергей Сергеевич Орлов родился 22 августа 1921 года в селе Мегра Вологодской области в семье сельских учителей.
Стихи писал с детства. Его раннее стихотворение «Тыква» отмечено на Всесоюзном конкурсе стихотворений школьников в 1938 году. Печатался в районной газете.
В 1940 году поступил на исторический факультет Петрозаводского университета.
После начала Великой Отечественной Войны вступил в истребительный батальон народного ополчения Белозёрска, составленного из студентов-добровольцев. Спустя два месяца его направили в Челябинское танковое училище. 17 февраля 1944 года едва не сгорел заживо в танке, следы от ожогов остались на его лице на всю жизнь. Следы ожогов он впоследствии маскировал, отпуская бороду.
В 1954 году окончил Литературный институт имени Горького. C 1958 года входил в состав правления Союза писателей РСФСР. Заведовал отделом поэзии в журнале «Нева», был членом редколлегии журнала «Аврора».
В 1970 году Орлова ввели в секретариат правления Союза писателей РСФСР, и он переехал в Москву. Сборник его стихов «Верность» был удостоен в 1974 году Государственной премии РСФСР имени Горького.
Позднее поэт стал членом комитета по присуждению Ленинских и Государственных премий.
В лирике Орлова главной темой оставалось пережитое на войне и воспоминания о погибших товарищах. Часто в стихах Орлова описываются простые, будничные предметы. Многие стихи Орлова середины 60-х годов посвящены месту человека в истории.
Умер в Москве 7 октября 1977 года. Похоронен на Кунцевском кладбище в Москве.

Голос первой любви (В.Шеповалов) Эдуард Хиль
Его зарыли в шар земной (Я.Вайсбурд) Майя Кристалинская
Его зарыли в шар земной (М.Карминский) Анатолий Горохов
Живым поверка (Г.Портнов) Виктор Кривонос
Как песня родилась (Ю.Свертдов) Хор Лен. РиТ п/у. Г.Сандлера
Когда это будет (Э.Колмановский) Олег Ухналёв
Комсомольский билет (А.Брицын) Виталий Псарёв
Нам смерть не страшна (Г.Портнов ) Виктор Кривонос
Песня радиста (Г.Портнов) Виктор Кривонос
Размышление у сгоревшего танка (Г.Фрид) Алексей Шейнин