Район образован 30 июля 1928 года в составе Орловского округа Центрально-Чернозёмной области, в него вошла часть территории бывшего Орловского уезда Орловской губернии.

13 июня 1934 года после ликвидации Центрально-Чернозёмной области район вошёл в состав вновь образованной Курской области.

27 сентября 1937 года район вошёл в состав вновь образованной Орловской области.

12 декабря 1940 года из северной части Орловского района выделен Володарский район с центром в Орле.

В феврале 1963 года район был преобразован в Орловский сельский район, в него также вошла территория упразднённого Володарского района.

12 января 1965 года Орловский сельский район вновь преобразован в район с сохранением границ.

С 1 января 2006 года до 16 мая 2021 года в рамках организации местного самоуправления функционировал одноимённый муниципальный район, включавший 17 муниципальных образований. Законом от 4 мая 2021 года Орловский муниципальный район упразднён и путём объединения бывших муниципальных образований (1 городского и 16 сельских поселений) к 16 мая 2021 года преобразован в муниципальный округ.