В течение 10 лет после окончания университета Орлов работал в рукописном отделе библиотеки Московской Синодальной типографии в качестве библиотекаря. На всю жизнь работа с рукописными источниками стала основополагающей для ученого. За время работы он сделал общий обзор всех трех отделов Синодальной библиотеки – рукописного, печатных книг, архивных материалов, относящихся к истории первой русской типографии, а также составил описание рукописных сборников (см.: Орлов А.С.Библиотека Московской Синодальной типографии. М., 1896). Главным своим наставником по работе с рукописями Орлов считал Семена Осиповича Долгова(1857–1925) – историка, археолога, хранителя древностей Московского публичного и Румянцевского музеев.
Интерес к художественности древнерусской литературы побудил Орлова выбрать для исследования исторические повести. Через всю его научную биографию проходит интерес к этому жанру, которым он начал заниматься еще в 1890-е гг. с исследования Азовских повестей XVII века. В 1893 г. он выступил в Славянской комиссии Московского археологического общества с докладом «Сказочная повесть о взятии Азова», положившим, по словам В.П. Адриановой-Перетц, «начало больших исследований» (см.: Адрианова-Перетц В.П. Академик А.С. Орлов: (К 75-летию со дня рождения) // Вестник АН СССР. 1946. № 4. С. 51). В студенческие годы А.С. Орлов был частым посетителем научных заседаний Славянской комиссии, став затем ее секретарем, а позже председателем. С 1896 г. он начал печататься в изданиях Славянской комиссии, а также и в «Чтениях» Общества истории и древностей российских при Московском университете.
В 1906 г. Орлов защитилмагистерскую диссертацию на тему «Исторические и поэтические повести об Азове» (ее издание см.: Орлов А.С. Исторические и поэтические повести об Азове (взятие 1637 г. и осадное сидение 1641 г.). Тексты. М., 1906; Его же. Особая повесть об Азове 1637–1641 гг. М., 1907). Этот научный труд в 1907 г. был удостоен Малой Уваровской премии Императорской Академии наук.
Свою педагогическую деятельность, не прекращавшуюся до самой смерти ученого, Орлов начал после защиты магистерской диссертации, когда был оставлен в Московском университете преподавателем на кафедре русского языка и словесности. Кроме Московского университета, в котором он преподавал с 1906 по 1931 гг., Орлов читал лекции на Высших женских курсах, учрежденных В.А. Полторацкой, а также в Литературно-художественном институте им. В.Я. Брюсова.
В октябре 1907 г. он был избран действительным членом Общества истории и древностей Российских, а в 1908 г. вошел в Комиссию по изданию Памятников древнерусской письменности, председателем которой был академик Василий Михайлович Истрин (1865–1937).
Докторская диссертация А.С. Орлова была посвящена «Домострою» (см.: Орлов А.С. Домострой: исследование. M., 1917). В 1917 году академик Алексей Александрович Шахматов (1864–1920) принял исследование о «Домострое» в качестве диссертации на докторскую степень. Оппонентами диссертанта были сам А.А. Шахматов и Иван Александрович Шляпкин (1858–1918; историк литературы, археограф).
В послереволюционный период Орлов еженедельно ездил преподавать в Тверской педагогический институт. В 1928–1929 гг. он читал лекции в Воскресном университете при Московском университете.
