Несмотря на то что Германия не подписала с Франко договор об оказании помощи, уже в декабре 1936 года войска мятежников использовали немецкое вооружение. Советский Союз, в свою очередь помогавший законному испанскому правительству вооружением, техникой и специалистами, был заинтересован в получении сведений об эффективности применяемого немецкого оружия. Значительный интерес вызывали сравнительные характеристики отечественного и немецкого вооружения. А.Г. Орлов, общаясь с военными представителями других государств и немецкими офицерами, получил информацию, что немецкая техника показала себя с весьма нехорошей стороны. Особенно это касалось танков и авиационных пулеметов, использующих синхронизацию для стрельбы через пропеллер. Кроме того, в конце декабря 1936 года в Москву было направлено сообщение о срочном переоборудовании на кораблестроительной фирме «Блюм унд Фосс» ряда старых немецких миноносцев, которые, очевидно, предназначались для Испании. Однако долго скрывать от всего мира свою помощь мятежникам Германия не могла. 20 марта 1937 года она официально подписала с генералом Франко договор об оказании последнему военной помощи.
Находясь за рубежом, Александр Григорьевич внимательно следил за внешнеполитическими событиями не только в Германии и Испании, но и в ряде других стран. Заметив, что правящие круги Венгрии начинают склоняться в сторону фашистской Германии, Орлов предложил руководству Наркомата обороны аккредитовать его по совместительству как военного атташе и в Венгрию. «Если сама эта страна, может быть, для нас интереса и не представляет, то… теперь… почти военная союзница Германии, она нас интересует больше, чем раньше». Наркомат обороны согласился с Орловым, и в конце июня 1937 года Отдел внешних сношений Наркомата обороны предложил ему выехать в Будапешт для оформления на должность военного атташе в Венгрии. Но сделать это Александр Григорьевич не успел, так как находился в отпуске в Советском Союзе и вскоре занял важный военный пост.
В это время в Советском Союзе происходили события, круто изменившие жизнь советских граждан. Именно май 1937 года положил начало крупномасштабным репрессиям, затронувшим все сферы жизни и деятельности граждан СССР.
В последний месяц работы в Берлине — в июне 1937 года — военный атташе в Берлине А.Г. Орлов подготовил для наркома обороны и Разведывательного управления РККА доклад, характеризующий общее военное положение Германии. По мнению Орлова, Генеральный штаб Германии в настоящее время являлся для Гитлера сдерживающим фактором, так как вермахт пока не был готов к крупномасштабным боевым действиям. «Полная готовность армии предполагается к осени 1938 года, а всего плана подготовки страны к войне — к 1940 году… В дальнейшем следует ожидать с началом войны — активной обороны на западе и основного удара на восток, главным образом в юго-восточном направлении и по прибалтам».
После отправления этого сообщения Александр Григорьевич выехал в Советский Союз в отпуск. Однако больше в Германию он не вернулся.
В августе 1937 года был отстранен от исполнения своих обязанностей начальник Разведывательного управления РККА армейский комиссар 2-го ранга Я. Берзин. Месяцем раньше в своем кабинете был арестован его заместитель, старший майор государственной безопасности М. Александровский. Таким образом, одно из главнейших управлений Наркомата обороны оказалось обезглавленным.
Приказом наркома К. Ворошилова от 8 сентября 1937 года военный атташе при полпредстве в Германии комбриг Орлов назначен на должность заместителя начальника управления, а 16 сентября он приступил к исполнению своих обязанностей. Эта работа была столь же ответственной, сколь и опасной, особенно теперь, в период массовых репрессий. Александр Григорьевич погрузился в сложную, трудную работу. От него требовалось своевременное и точное информирование военного и политического руководства о военном потенциале государств, напряженной международной обстановке.
За относительно небольшое время работы в Разведывательном управлении РККА Александр Григорьевич наладил информационную работу, обеспечив своевременную и качественную обработку материалов по оперативной обстановке.
В феврале 1938 года в ознаменование XX годовщины РККА, как одному из наиболее достойных и отличившихся командиров, ему было досрочно присвоено воинское звание комдива, тогда же он был награжден вторым орденом Красного Знамени.
После отстранения Я. Берзина в августе 1937 года от исполнения обязанностей начальника Разведывательного управления на эту должность до апреля 1939 года никто назначен не был. Поэтому сначала обязанности начальника исполнял С. Гендин, но в начале октября 1938 года также был отстранен от работы в Разведывательном управлении, а 22 октября — арестован. И с этого времени А.Г. Орлов начал исполнять обязанности начальника Разведывательного управления РККА.