У 1913-1934 роках — директор Одеської обсерваторії і професор Новоросійського університету. Чимало з тих, хто відвідував астрономічний гурток, створений О. Я. Орловим при обсерваторії, згодом стали видатними вченими. Це автор космологічної теорії гарячого Всесвіту Г. А. Гамов, творець ракетної космічної техніки В. П. Глушко, видатний дослідник перемінних зірок — «поет зоряного неба» В. П. Цесевич та інші.
Розуміючи необхідність розвитку астрономічних досліджень в Україні, академік УАН О. Я. Орлов робить дії по об'єднанню досліджень і висуває ідею створення в Україні Центральної астрономічної обсерваторії в районі Канева і створює при Українській академії наук Астрономічне обчислювальне бюро. Проте незабаром, без відома О. Я. Орлова, Президія УАН це бюро ліквідує і А. Я. Орлов на знак протесту оголошує (1921 рік) про свій вихід з УАН. Після річних зволікань і розглядів, в 1922 році, його заява про вихід з УАН була задоволена.
У 1941 році за рішенням Президії АН УРСР здійснив поїздку на Далекий Схід для організації там далекосхідної широтної станції, проект якої він запропонував ще в 1932 році.
У 1944 році був призначений директором новоствореної Головної астрономічної обсерваторії АН УРСР під Києвом; під його керівництвом був розроблений проект обсерваторії і почалося її будівництво. На цій посаді він перебував до 1948, потім очолював обсерваторію в 1950–1951 роках.
Основні наукові роботи присвячені вивченню припливних коливань сили тяжіння, руху полюсівЗемлі, геодезії, геофізиці, а також дослідженню комет. Провів велику роботу по організації спостережень над припливними деформаціями Землі. У 1915 році завершив велике дослідження, підсумки якого виклав у капітальній праці «Результати юр'ївських, томських і потсдамських спостережень над місячно-сонячними деформаціями Землі». Ще в 1912 році його дослідження в області припливних деформацій Землі зімкнулися з вивченням руху полюсів Землі, утворивши той нерозривний комплекс завдань з проблеми обертального руху Землі, який склав основу наукових досліджень Орлова. Виявив в результатах широтних спостережень повільні неполярні зміни широт, розробив спосіб виділення цих змін та їх виключення (спосіб Орлова). Обчислив координати полюсів Землі, вільні від цих повільних змін широт, для інтервалу часу з 1892 по 1952 в системі середнього полюсу епохи спостережень (у системі Орлова). Ретельне вивчення всіх особливостей чандлерівського і річного рухів полюсів дало можливість Орлову розробити спосіб визначення координат полюсів за спостереженнями на одній станції. Цей спосіб застосовувався радянської Службою широти для термінових обчислень координат полюсів. Орлов виконав також роботи з дослідження тривісного земного еліпсоїда, вікового руху полюсів Землі, по виявленню місячнихнавівмісячних змін широти, визначенням коефіцієнта головного члена нутації по відмінюванню та ін.
Підсумок його широтних вишукувань підведений в книзі «Служба широти», опублікованій посмертно в 1958 році. За ініціативою Орлова була створена Комісія з широти при Астрометричній комісії Астрономічної ради АН СРСР, головою якої він був до 1952 року. Займався питаннями попередньогго обчислення появи комети Галлея. Дав нові, більш економічні і зручні формули для обчислення геліоцентричних координат частинок кометного хвоста або кометної хмари. Під керівництвом Орлова був оброблений 18-річний ряд спостережень сонячних плям, проведених в Одесі, в результаті чого визначено елементи сонячногоекватора і вивчені власні рухи сонячних плям по широті.
У 1961 році були опубліковані «Вибрані праці» Орлова в 3-х томах.
На фасаді будинку Полтавської гравіметричної обсерваторії встановлено меморіальну дошку О. Я. Орлову. Дошка — мідь, встановлена у 1984 р. (скульптор В. І. Білоус)
