Родился 22 августа 1921 года в селе Мегра Белозерского уезда Череповецкой губернии (ныне в Вытегорском районе Вологодской области). Отец, Сергей Николаевич, и мать, Екатерина Яковлевна, были сельскими учителями. Стихи писал с детства, стихотворение «Тыква» отмечено на Всесоюзном конкурсе стихотворений школьников в 1938 году. Оно было целиком приведено в статье К. И. Чуковского в газете «Правда», а также 4 строчки из него поместил в своей книге «От двух до пяти». Печатался в районной газете. В 1940 году поступил на исторический факультет Петрозаводского университета. После начала Великой Отечественной войны вступил в истребительный батальон народного ополчения Белозерска, составленного из студентов-добровольцев. Спустя два месяца Сергея Орлова направили в Челябинское танковое училище на курсы командного состава. А уже в феврале 1942-го лейтенант Орлов прибыл на Волховский фронт, в район железнодорожной станции Мга. Свой первый бой в составе 33-го гвардейского танкового полка прорыва, он принял под Карбуселью. Экипажу Орлова повезло в этом страшном бою: танк разбил две немецкие пушки и уцелел. В следующих боях везло меньше. В одной из атак танк лейтенанта Орлова был подбит и долго не мог добраться до своих. Когда, починив танк, экипаж вернулся в полк, ротный писарь уже отправил на них «похоронки». 17 февраля 1944 года в бою за безымянную высоту танк Орлова снова был подбит. Из экипажа уцелели лишь он сам да механик-водитель. Они продолжали вести бой на горящем танке, и только когда начала гореть одежда, выскочили из танка под огонь пулемётов. Осколок снаряда ударил в грудь Сергея и пробил левый карман гимнастерки, где лежала медаль "За оборону Ленинграда". Она и спасла жизнь поэту. Он вместе с боевым товарищем укрылся в воронке, где их подобрали санитары. Сергея Орлова наградили орденом Отечественной войны II степени. Он был демобилизован и долго восстанавливался после ранения. В 1954 году окончил Литературный институт им. А. М. Горького. C 1958 года входил в состав правления СП РСФСР. Заведовал отделом поэзии в журнале «Нева», был членом редколлегии журнала «Аврора». Совместно с М. А. Дудиным Сергей Орлов написал сценарий фильма «Жаворонок» (1964), посвящённый подвигу танкистов, оказавшихся в плену на территории Германии. В 1970 году был введен в секретариат правления СП РСФСР и переехал в Москву. Позднее поэт стал членом комитета по присуждению Ленинских и Государственных премий. Сергей Орлов - автор нескольких стихотворных сборников. Самым известным его произведением многие называют стихотворение «Его зарыли в шар земной...» Скончался в 1977 году. Погребён на Кунцевском кладбище.