С ноября 1917 года Лейба Фельдбин являлся заместителем заведующего информационным отделом Высшего финансового совета. Однако жизнь обычного служащего среднего ранга его мало привлекала, и молодой человек предпочел службу в Красной армии. В середине 1918 года он добровольно вступил в РККА и был направлен в 12-ю армию, в военную контрразведку. В качестве сотрудника Особого отдела ВЧК и с документами на имя Льва Никольского он сражался на Юго-Западном фронте, руководил действиями партизанских отрядов в тылу белогвардейцев, организовывал их контрразведывательное обеспечение, участвовал в раскрытии контрреволюционных организаций в Киеве. Молодой чекист лично возглавлял операции на оккупированной территории.
В начале 1921 года Лейба получил назначение в Архангельск в качестве начальника следственно-разыскной части и заместителя начальника секретно-оперативной части губернской ЧК. Поскольку молодому чекисту предстояло заниматься активной оперативной работой и контактировать с иностранцами, он окончательно перешел на новые документы и на ближайшие пять лет стал Львом Лазаревичем Никольским.
В Архангельске он женился на Марии Владиславовне Рожнецкой, являвшейся канцелярским работником штаба Юго-Западного фронта. В сентябре 1923 года у супругов родилась дочь Вероника.
В 1922 году Никольский был направлен на работу в революционный трибунал, где занимал должность помощника прокурора. В 1924 году он завершает обучение на юридическом факультете Московского университета и возвращается на работу в ОГПУ, где занимает высокую должность помощника начальника Экономического управления. Осуществлял надзор за реконструкцией советской промышленности.
В конце 1925 года Никольский был переведен в Закавказье — начальником погранохраны Сухумского гарнизона, обеспечивавшей охрану границы с Ираном и Турцией. Летом 1926 года его переводят на работу в Иностранный отдел ОГПУ. Во внешней разведке он становится Александром Михайловичем Орловым. Поскольку этой фамилией он пользовался весь период работы в разведке и под ней стал широко известен историкам, мы будем называть его так в нашем дальнейшем повествовании.
Уже летом 1926 года с паспортом на имя сотрудника советского торгового представительства во Франции Орлов (оперативный псевдоним «Швед») выезжает в Париж в качестве руководителя одной из крупнейших резидентур ИНО ОГПУ в Европе. В 1928 году он становится руководителем берлинской резидентуры ИНО ОГПУ под прикрытием должности торгового советника полпредства СССР в Германии.
В связи с принятием первого пятилетнего плана экономического развития СССР руководство страны поставило перед разведкой задачу по добыванию на Западе технических секретов, жизненно необходимых для модернизации советской экономики. Параллельно с основной разведывательной работой в Германии Орлову было поручено координировать деятельность европейских резидентур ИНО ОГПУ по линии научно-технической разведки.
Следует подчеркнуть, что усилия разведчиков очень скоро дали положительные результаты. Как отмечает в своей работе исследователь отечественных спецслужб Дмитрий Прохоров, «по каналам научно-технической разведки в Москву начала поступать информация об испытаниях новой авиационной техники, артиллерийских систем, о радиоаппаратуре военного применения, о переработке нефти и использовании ее побочных продуктов, об установке для гидрирования бурого угля и по многим другим проблемам».
В 1931 году Орлов возвратился в Москву и возглавил 8-е отделение ИНО ОГПУ (научно-техническая разведка). Весной 1933 года он был направлен нелегальным резидентом в Париж. Нелегальная резидентура «Экспресс», которую возглавлял Орлов, вела разработку Второго бюро французского Генерального штаба (военная разведка). Однако уже летом 1934 года Центр принял решение направить его нелегальным резидентом в Лондон.
В английской столице Орлов принял на связь агента-вербовщика Арнольда Дейча. В течение 1934 года Дейч под руководством Орлова завербовал студентов Кембриджского университета Кима Филби, Дональда Маклина и Гая Бёрджесса, вошедших в так называемую «Кембриджскую пятерку» советских разведчиков.
В годы Второй мировой войны эта агентура сыграла выдающуюся роль в обеспечении советского правительства стратегической информацией не только по Англии, но и по США и Германии. Все эти люди были завербованы на идеологической основе, работали на советскую разведку бескорыстно, отказывались от материального вознаграждения, рассматривая свою работу как личный вклад в борьбу против нацизма. Примечательно, что впоследствии все привлеченные Дейчем к сотрудничеству с советской разведкой члены «Кембриджской пятерки» успешно работали на Москву в течение длительного времени.
Пребывание Орлова в Англии было исключительно результативным, хотя и недолгим. После того как 18 июля 1936 года в Испании вспыхнул мятеж франкистов против правительства Народного фронта, именно Сталин предложил руководству НКВД рассмотреть вопрос о переводе Орлова из Лондона в Испанию.