Пимен Орлов родился в 1812 году на хуторе Мало-Хвощеватый, Воронежской губернии - был сыном местного мельника. С раннего детства Пимен демонстрировал интерес к живописи и рисованию, однако родные не разделяли его интереса.

В подростковом возрасте Пимен Орлов покинул родной дом, поступив в ученики к странствующему художнику-самоучке (к сожалению, его имя выяснить не удалось). Путешествуя по деревням и сёлам Российской империи, учитель и ученик выполняли художественное оформление для частных домой и магазинов.

Случай однажды свёл молодого Пимена Никитича с неким дворянином, в 1834 году оказавшим Орлову помощь в поступлении в Императорскую Академию художеств в Санкт-Петербурге. В 1837 году П. Н. Орлов закончил обучение в академии и начал самостоятельную художественную деятельность, выступал он преимущественно как портретист.

В 1841 году Пимен Орлов на средства Общества поощрения художников был отправлен в длительную поездку в Италию. Художник поселился в Риме и быстро стал любимцем местных почитателей искусства. У художника быстро образовалась база постоянных покупателей и заказчиков.

Чтобы обеспечить себя постоянной художественной пенсией, Орлов начал изредка писать исторические художественные полотна, которые отправлялись в Российскую империю - это позволило художнику ежегодно получать 300 рублей от Императорской Академии художеств.

В 1849 году Пимен Никитич должен был вернуться в Российскую империю вместе с другими художниками-пенсионерами, однако ему удалось убедить вышестоящее начальство позволить ему оставаться в Италии в связи с "болезнью глаз". Художник Пимен Никитич Орлов оставался в Риме до самой своей смерти.

Пимен Никитич Орлов умер 6 октября (24 сентября по старому стилю) 1865 года в Риме от энцефалита. Художник был захоронен на кладбище Тестаччо, однако до наших дней могила художника не сохранилась, поскольку его прах был перенесён в общую могилу у Аврелиевой стены.