В Русской императорской армии с октября 1899 по февраль 1905 г. и с марта 1915 по июнь 1917 г.
В Красной гвардии с июля 1917 г.
В Красной армии с июля 1918 г.
Окончил учебную команду Гвардейского Уланского полка в г. Петергоф (1900).
В октябре 1899 г. Ф. М. Орлов был призван на службу в армию и зачислен рядовым в Гвардейский Уланский полк в г. Петергоф. В 1900 г. окончил в этом полку учебную команду и проходил службу взводным унтер-офицером. С ноября 1904 г., будучи взводным унтер-офицером 23-й артиллерийской бригады, принимал участие в Русско-японской войне 1904-1905 гг. В отряде генерала П. И. Мищенко сражался под Сандепу и Мукденом.
С февраля 1905 г. был делопроизводителем в Новгородском запасном полку в г. Новгород. С октября 1908 г. служил городовым и околоточным в городской полиции г. Петергоф. В 1909 г. выдержал экстерном экзамен за четыре класса Кронштадтской мужской гимназии.
С началом Первой мировой войны Ф. М. Орлов в марте 1915 г. вновь был мобилизован в армию и зачислен унтер-офицером в запасной кавалерийский эскадрон в г. Новгород. С мая воевал на Северном фронте в составе прежнего Гвардейского Уланского полка в должности командира разведывательного взвода. В июне 1916 г. был ранен и до января 1917 г. находился в госпитале в Гатчине. С января по июнь 1917 г. служил казначеем в автоколонне Северного фронта на рижском направлении.
3 июля 1917 г. вступил в Красную гвардию и занимал должность командира и комиссара Выборгского красногвардейского отряда. С сентября был организатором и членом Военного совета штаба по формированию отрядов Красной гвардии в Екатеринодаре. Принимал участие в подавлении мятежа генерала Л. Г. Корнилова, весной 1918 г. сражался с войсками генерала П. Н. Краснова на Дону и Кубани.
С июля 1918 г. исполнял должность комиссара кубанских войск Северо-Восточного фронта Красной армии Северного Кавказа, с августа командовал кавалерийской бригадой 1-й Стальной дивизии на Царицынском фронте. Участвовал в боях против деникинских войск. В ноябре 1918 г. Ф. М. Орлов был назначен зам. начальника штаба Южного фронта по формированию Украинских советских войск, одновременно исполнял должность командира смешанной бригады киевского направления. С апреля 1919 г. был начальником штаба отряда им. А. Я. Пархоменко, действовавшего на екатеринославском направлении. С июня исполнял должность командующего Группой войск и одновременно коменданта екатеринославского направления. В июле был ранен и находился в госпиталях. В ноябре 1919 г. назначен военкомом Нижегородского губернского военкомата, с мая 1920 г. был Донским областным военкомом и командующим войсками Донской области в г. Новочеркасск. За боевые отличия приказом РВСР от 6.11.1920 награжден орденом Красного Знамени.
В августе 1920 г. назначен командующим войсками Украинской запасной армии, одновременно с 27 января по 28 февраля 1921 г. исполнял должность командующего ХаВО.
После войны с мая 1923 г. занимал должность пом. командующего Войсками Украины и Крыма, одновременно исполнял должность начальника военизированной Главной милиции, начальника вооруженной охраны и отряда Украины и Крыма в г. Харьков.
С января 1924 по 23 октября 1927 г. состоял в резерве РККА, затем был уволен в запас.
1 октября 1931 г. вновь восстановлен в кадрах РККА и назначен зам. начальника Особого конструкторского бюро отдела военно-технической пропаганды Технического штаба начальника вооружений РККА в Москве. С 1933 г. исполнял должность пом. и зам. конструкторского бюро Управления боевой подготовки РККА в Ленинграде.
В июне 1935 г. тяжело заболел и до июля 1938 г. находился на лечении.
8 июля 1938 г. он был назначен зам. начальника 7-го отдела завода № 1 ГАУ РККА.
В начале Великой Отечественной войны командарм 2-го ранга запаса Ф. М. Орлов вступил в народное ополчение и с 5 июля 1941 г. командовал отдельным разведывательным батальоном 6-й стрелковой дивизии народного ополчения Москвы (Дзержинского района). 16 июля дивизия была включена в 24-ю армию Фронта резервных армий (с 28 июля - Резервного фронта) и участвовала в Смоленском сражении. В бою под Ельней он был ранен и контужен, однако не покинул поле боя. 26 сентября дивизия была переименована в 160-ю стрелковую и включена в состав Западного фронта. Находясь во фронтовом подчинении, она вела бои под Дорогобужем и Вязьмой. В ходе начавшейся Вяземской оборонительной операции попала в окружение, где вела тяжелые бои.
После выхода из окружения Ф. М. Орлову было поручено восстановить дивизию. Приняв командование, ему в короткие сроки удалось привести дивизию в боевую готовность. В начале января 1942 г. дивизия была передана 33-й армии Западного фронта и вела бои в районе г. Верея.
29 января 1942 г. Ф. М. Орлов был тяжело ранен и находился на лечении в госпитале в Москве.
С сентября 1942 г. состоял в распоряжении Военного совета Западного фронта, затем с июня 1944 г. - ГУК НКО. В сентябре 1944 г. назначен начальником военного отдела Главного управления учебными заведениями Наркомата лесной промышленности.
После войны в октябре 1946 г. уволен в отставку.
Награжден орденом Ленина, 3 орденами Красного Знамени, орденом Отечественной войны 1-й ст., медалями. Дважды награжден именным холодным оружием (серебряной шашкой), а также почетным оружием - золотая шашка с камнями туземного образца с надписью на клинке.
