Пимен Орлов родился на хуторе Мало-Хвощеватый Острогожского уезда Воронежской губернии в семье мельника в 1812 году. С раннего детства у мальчика обнаружились незаурядные способности и любовь к рисованию. Не смотря на недовольство родителей, Пимен ушёл из дома и пристроился к малерам, которые не только могли красить, но и оформительством промышляли, а опытные и талантливые даже храмы расписывали. Желая совершенствоваться в мастерстве, Орлов сменил несколько учителей, пока не стал получать собственных заказов на иконы в церквах и на портреты от окрестных помещиков. Случай однажды свел его с местным предводителем дворянства Гладким, который, ознакомившись с искусством Пимена Никитича, счел не бесполезным отправить его в Санкт-Петербург для определения в Императорскую Академию художеств, куда, после долгих усилий, Орлов и поступает в 1834 году. В течение следующих трех лет Пимен Орлов учится в Академии в портретном классе К. П. Брюллова, который в середине XIX века считался ведущим российским портретистом.
Постоянная работа над портретами способствовала значительному росту мастерства художника — в 1836 году Орлову была присуждена серебряная медаль 2-й степени.
В 1837 году Пимен Никитич заканчивает обучение в Академии с серебряной медалью первой степени, полученной им за портреты с натуры князя Голицына, госпожи Тимофеевой и девицы Эссен и званием свободного художника.
В 1841 году при содействии Общества поощрения художников и лично конференц-секретаря Академии художеств В. И. Григоровича, Орлов получил возможность отправиться в Италию. Пимен Никитич поселяется в Риме, где достаточно быстро завоевывает известность своими картинами, выполненным в традиционном итальянском варианте бытового классицизма с его преувеличенной красотой в изображении персонажей и обстановки. Наличие постоянных заказов от местных жителей было очень важно для художника, так как для него это по-прежнему был основной и, пожалуй, единственный регулярный источник дохода
Только в 1848 году Пимену Никитичу удалось прислать в Санкт-Петербург картину «Девушка, моющая белье», за которую ему, по ходатайству Академии, обратившей внимание императора Николая I на то, что Пимен Никитич хочет себя посвятить исторической живописи, была назначена на год пенсия в 300 руб.
В 1849 году всем пенсионерам, а в том числе и Орлову, было велено вернуться в Россию, однако Орлов сумел убедить правительство разрешить продолжить ему оставаться в Италии в связи с болезнью глаз и необходимостью окончить заказанные ему картины, уже начатые им.
Орлов останется в Италии ещё на 16 лет. За это время он напишет множество мастерски выполненных картин: «Октябрь месяц в Риме» (в двух редакциях: «Итальянское Утро» и «Сцена из римского карнавала»); «Девушка, прогуливающаяся по Porte d’Anzio»; «Обет Мадонне», «Возвращение с жнитвы» и «Ave Maria», портреты великой княгини Ольги Николаевны, госпожи Третьяковой и др. Большинство своих полотен Орлов выставлял в Риме и был довольно известен итальянской публике. Местные критики очень тепло отзывались о его работах. Часть своих картин художник отсылал в Россию и на основании их, равно, как и на основании отзывов из Рима, получил в 1857 году звание академика портретной живописи.
На Родину художник так и не вернулся — он умер в Риме 24 сентября (6 октября) 1865 года. Захоронение П. Н. Орлова на римском кладбище Тестаччо до настоящего времени не сохранилось, — прах перенесен в общую могилу у Аврелиевой стены; № 131; МК.
