В августе 1922 года А.Г. Орлова вызвали в Москву в Главное управление военно-учебных заведений для дальнейшего прохождения службы в Московском военном округе штатным, позднее главным преподавателем артиллерии 1-й Объединенной школы им. ВЦИК. В сентябре 1922 года он поступил на правовое отделение факультета общественных наук Московского государственного университета. Строевая служба нравилась ему, но со временем все тяжелее приходилось переносить ее тяготы. Инвалидность, постоянное переутомление, осложнение в легких — все это постепенно привело к тому, что перед Орловым возникла дилемма: продолжать службу или нет. Поэтому в конце июня 1925 года Александр был назначен помощником начальника юридическо-статистического отдела Главного управления РККА. К этому времени он уже стая дипломированным юристом, завершив образование, прерванное Первой мировой войной.
Началась новая, еще не изведанная сфера деятельности, и Александр с головой окунается в нее: молодой Советской республике необходимо было завершить создание новых воинских уставов и постановлений. Период 1920-х годов — время непрерывно продолжавшейся военной реформы, и в юридическо-статистическом отделе находилось на изучении множество различных Положений управлений РККА. За короткий срок А.Г. Орлов полностью вошел в курс дела. Работа была вдвойне тяжелой в связи с тем, что на него возлагалась дополнительно большая нагрузка по партийной и общественной работе (в марте 1927 года он вступил в члены ВКП(б)).
В августе 1927 года А.Г. Орлов был назначен юрисконсультом (юристом) Управления делами НКВМ и РВС, а в июле 1928 года — начальником Законодательного отдела Управления делами НКВМ, позднее начальником сектора и помощником секретаря РВС. И на новой работе он продолжал учиться, размышляя над боевым использованием артиллерии, готовя статьи, брошюры, читая лекции. В ноябре 1930 года А.Г. Орлова назначили помощником начальника Управления делами НКВМ и РВС СССР. В июне 1931 года ему присваивается звание военного переводчика 1-го разряда.
Немного позднее Орлова командируют в Германию вместе с другими командирами Красной армии для ознакомления с военной наукой за рубежом. Александр Григорьевич изучал в Германии современные зарубежные приборы управления артиллерийским огнем, один из самых актуальных в то время вопросов для Красной армии. Пробыв в Германии более двух месяцев, он объехал почти всю страну, глубоко и тщательно знакомясь со всем наиболее современным военным оборудованием.
Вернувшись из Германии, 15 ноября 1931 года А.Г. Орлов назначается начальником Управления военных приборов РККА, однако уже в январе он был вынужден временно отойти от руководства Управлением — из-за командировки в Женеву для участия в Международной конференции по разоружению в качестве начальника штаба военной части советской делегации и военного эксперта по сухопутным вооружениям. Следующая командировка на эту конференцию состоялась в мае.
За недолгий срок пребывания на должности начальника Управления военных приборов А.Г. Орлов провел большую работу по оснащению армии новыми приборами управления огнем и оптикой; он глубоко ознакомился с военной промышленностью, занимаясь вопросами улучшения качества выпускаемой продукции, написал книгу «Современные приборы управления огнем» (1933). Начальник Главного артиллерийского управления РККА Ефимов высоко ценил А.Г. Орлова, написав в характеристике в сентябре 1932 года: «Прекрасно знает артиллерийское дело. Превосходно изучил тактику артиллерии и с этой точки зрения является вполне подготовленным артиллерийским начальником. В своей работе образцово четок, выявляя тем самым глубокие навыки превосходного штабного работника и командира. Человек с большим кругозором и с большими способностями».
Александр Григорьевич прослужил в должности начальника Управления еще год, пока не произошел очередной крутой поворот в его судьбе. Руководство Наркомата обороны, учитывая имевшийся у Орлова опыт пребывания за рубежом и отличное знание французского и немецкого языков, приняло решение направить его на работу в аппарат военного атташе при полпредстве СССР во Франции. 10 января 1934 года А.Г. Орлов уехал в Париж в качестве помощника военного атташе.
В то время положение советских военных представителей в Европе было довольно сложным. Именно в октябре 1933 года произошел провал во французской резидентуре — один из самых крупных в советской военной разведке. Поэтому работа советских представителей во Франции находилась под постоянным контролем контрразведки.