Николай Орлов родился 8 мая (26 апреля по старому стилю) 1863 года в селе Буйцы Епифанского уезда Тульской губернии Российской империи в семье бедных безземельных крестьян. Его отец – Василий Иванович – был из бывших крепостных помещика Олсуфьева, рано умер. Мать – Евдокия Илларионовна – уехала в Москву и нанялась прислугой. Первоначальные художественные навыки Николай получил у своего дяди, иконописца В.И. Богуславского, в селе Огарёво Тульской губернии.
В 1882–1892 годах Николай учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества у И.М. Прянишникова и В.Е. Маковского. В 1892 году за картину «Умирающая» он был награждён Большой серебряной медалью.
В 1892 году вместе с семьёй Николай переехал в село Кулешово Калужской губернии, где занимался росписью церкви. С 1896 года он является членом Товарищества передвижных художественных выставок. В 1900-х годах Николай писал иконы, расписывал храмы в Тамбовской, Тульской, Калужской, Орловской губерниях. Преимущественно, Николай работал как жанрист, посвящая большую часть своих произведений обличению нищеты и бесправия русского крестьянства – «Подати» (1895), «Проводы переселенце» (1896),«Зимний вечер», «Лунная ночь» (обе – 1900-е), «Порка» (1904), «Ради Христа» (1905). С 1898 года Николай жил в селе Обираловка под Москвой, с 1902 года – в Москве. Он был дружен с Л.Н. Толстым, разделял его взгляды. В 1907–1910-х годах он неоднократно бывал в Ясной Поляне. Летние месяцы 1909–1912 годов Николай Васильевич жил и работал в имении сына писателя С.Л. Толстого Никольское-Вяземское Тульской губернии. Толстой называл Орлова любимым художником и написал предисловие к альбому его репродукций «Русские мужики» (СПб, 1909). В 1913–1919 годах Орлов жил в Липецке, где преподавал рисование в женской гимназии, в 1920–1922 годах – на Кубани, в 1922–1924 годах – в Майкопе.
Николай Орлов экспонировал свои работы на выставках Московского общества любителей художеств (1893–1894), Товарищества передвижных художественных выставок (1894–1898). После революции 1917 в выставочной деятельности участия не принимал.
Произведения Орлова находятся в Государственной Третьяковской галерее, Государственном центральном музее современной истории России, Ивановском областном художественном музее, Липецком областном краеведческом музее и других государственных и частных собраниях.
Николай Орлов скончался 5 августа 1924 года в Москве.
