С началом Великой Отечественной войны обучение в школе было приостановлено, курсанты были направлены на строительство оборонительных сооружений под Севастополем. Только в марте 1942 г. курсанты приступили к освоению истребителя И-16. После окончания курса обучения на этом истребителе они начали освоение британского истребителя «Харрикейн» и параллельно (для желающих) - отечественного истребителя Як-7.
Курсант Орлов быстро освоил истребитель Як-7. В июле 1943 г. он был выпущен из школы и направлен на Центральный фронт и в составе пополнения попал в 133-й истребительный авиационный полк 234-й истребительной авиационной дивизии. С пополнением из 12 лётчиков младший лейтенант Орлов прибыл в августе месяце на аэродром Дягилево под Рязанью, где 133-й ИАП находился на переформировании. Младший лейтенант Орлов попал в состав 3-й АЭ, которой на тот момент командовал капитан Оводов Я.Л., в звено лейтенанта Глазова Н.В.
С 14 августа по 26 сентября 1943 г. 133-й ИАП 234-й ИАД находился в резерве СВГК на аэродроме Дягилево, где перевооружился на истребители Як-9т. В начале октября 1943 г. полк прибыл на полевой аэродром под Севском, Брянской области. 1 октября 133-й ИАП в составе 234-й ИАД 6-го ИАК 16-й ВА приступил к боевой работе на Центральном фронте на новых Як-9т. Однако молодого лётчика долгое время не пускали на боевые задания и только 21 октября мл. лейтенант Орлов совершил свой первый боевой вылет. В это время, начиная с 15 октября, войска Центрального фронта при поддержке авиации начали операцию на лоевском направлении по форсированию Днепра и захвату плацдарма на его западном берегу. Над переправами через р. Днепр разгорелись ожесточённые воздушные бои. Авиация противника любыми способами стремилась уничтожить переправы и усложнить тем самым снабжение наших войск на захваченных плацдармах на западном берегу Днепра.
Однако долго повоевать Орлову не пришлось. 28 октября восьмерка Як-9т под командованием капитана Оводова вылетела на прикрытие переправ через р. Днепр в районе г. Лоев. Вскоре советские истребители были наведены на большую группу пикирующих бомбардировщиков Ju 87, которые шли на бомбёжку переправ в сопровождении истребителей FW 190. В этом вылете мл. лейтенант Орлов был ведомым у командира звена лейтенанта Николая Глазова. Орлов обеспечил своему ведущему победу над одним FW 190. Однако, прикрывая ведущего, Орлов сам попал под атаку двух «фоккеров». Самолёт был подбит, а лётчик ранен осколками разорвавшегося в кабине самолёта вражеского снаряда. С трудом Орлов перетянул Днепр и совершил вынужденную посадку в районе окопов первой линии обороны наших войск. При посадке «Як» Орлова скапотировал и полностью разрушился. Подбежавшие пехотинцы быстро извлекли из разбитой кабины самолёта раненного лётчика, находившегося без сознания, и передали подоспевшим санитарам. Получив при падении самолёта тяжёлые ранения обеих ног, он был отправлен в госпиталь. К тому времени Орлов успел совершить всего 9 боевых вылетов, из них 5 - на сопровождение бомбардировщиков и штурмовиков, 2 - на патрулирование и 2 – на прикрытие своих войск. Участвовал на самолёте Як-9т в трёх воздушных боях, побед не имел.
Только в декабре Виталий Орлов смог вернуться к себе в полк, но к боевым вылетам его ещё не допускали из-за потери навыков полётов на боевых самолётах. Боевую работу в составе 3-й АЭ, которой уже командовал лейтенант Горбовский Л.С., Орлов продолжил с 8 января 1944 г. До 1 апреля он совершил на самолёте Як-9т ещё 16 боевых вылетов, в том числе 10 на штурмовку войск противника, 3 на патрулирование и 3 на прикрытие своих наземных войск. Провёл ещё 2 воздушных боя.
В апреле 1944 г. 133-й ИАП вновь был выведен в резерв 16-й ВА и до июня боевых действий не вёл, пополняя свой состав новой техникой и лётным составом. В это время мл. лейтенант Орлов и был переведён в состав новой авиачасти - 98-го отдельного корректировочно-разведывательного авиационного полка, который действовал в интересах артиллерийских частей Белорусского и 1-го Белорусского фронтов. В мае в полку были образованы три эскадрильи: две корректировочные на самолётах Ил-2 и По-2, а также 3-я истребительная, вооружённая самолётами Як-9д.
98-й ОКРАП действовал на правом крыле фронта и вёл боевую работу на двух участках: 1-я корректировочная эскадрилья подчинялась командующему артиллерией 3-й армии, а 2-я - командующему артиллерией 48-й армии 1- го БФ. Помимо корректировки артогня, эскадрильи вели визуальную разведку в интересах тех же армий, а также осуществляли фотографирование боевых порядков противника по его переднему краю обороны глубиной до 14 км на участке Жлобин и на юго-запад вдоль линии фронта. Лётчики 3-й истребительной АЭ осуществляли прикрытие самолётов-корректировщиков.