Сфера научных интересов: разделение изотопов и тонкая очистка веществ, компьютерное моделирование разделительных процессов, разработка экологически безопасных технологий.

С начала своей трудовой деятельности Орлов А.А. участвовал в качестве исполнителя, затем ответственного исполнителя и научного руководителя в выполнении хоздоговорных работ с: ОАО «НЗХК», г. Новосибирск; ОАО «ТВЭЛ», г. Москва; ОАО «ПО ЭХЗ», г. Зеленогорск; ОАО «АЭХК», г. Ангарск; ОАО «СХК», г. Северск и в выполнении ряда грантов, в том числе 2-х грантов Министерства по атомной энергии и Министерства образования РФ, в 2009–2010 гг. являлся научным руководителем регионального гранта.

Одно из изобретений (соавтором которого он является) – компьютерный тренажер разделительного производства внедрено в 2005 г. в ОАО «ПО ЭХЗ» и в 2010 г. в ОАО «СХК». В 2011 г. в ОАО «ПО ЭХЗ» внедрены следующие программные продукты, разработанные с его участием: «Анализ загрузки основного оборудования», «Статистическая обработка паспортных данных и данных по отказам газовых центрифуг», «Дефектация газовых центрифуг», «Разбраковка газовых центрифуг», «Поиск вакуумных течей в технологических секциях».

С 2000 г. по 2008 г. Орлов А.А. выполнял обязанности ученого секретаря докторского диссертационного совета ДС 212.025.01 при ТПУ. В настоящее время является членом этого диссертационного совета.

Под его научным руководством защищено 4 кандидатских диссертации, научные работы студентов неоднократно занимали призовые места, получали медали «За лучшую научную работу студента» и поощрялись материально. В 2012 году успешно защищена докторская диссертация, научным консультантом которой являлся Орлов А.А.

Им опубликовано более 250 научных трудов, в числе которых 3 монографии, 48 статей, 9 учебных пособий (в том числе одно с грифом УМО), 15 патентов.