Ծնվել է 1822 թվականի հունիսի 25-ին (հին տոմարով) Դարաչիչակում։ Հովսեփ Օրբելու և Ռուբեն Օրբելու եղբայրը։ Ավարտել է Պետերբուրգի ռազմաբժշկական ակադեմիան (1904)։ 1907-20 թթ-ին աշխատել է Պետրոգրադի փորձառական բժշկագիտության ինստիտուտում։ 1909-11 թթ-ին գործուղվել է արտասահման, աշխատել Անգլիայի, Գերմանիայի խոշորագույն ֆիզիոլոգիական լաբորատորիաներում և Նեապոլի ծովային կենսաբանական կայանում։ 1918-57-ին ղեկավարել է Պ. Ֆ. Լեսգաֆտի անվան ինստիտուտի ֆիզիոլոգիայի լաբորատորիան, 1920-31-ին եղել է Լենինգրադի 1-ին բժշկական ինստիտուտի պրոֆեսոր, 1925-50-ին՝ Ս. Մ. Կիրովի անվան ռազմաբժշկական ակադեմիայի ֆիզիոլոգիայի ամբիոնի պետ, նույն ակադեմիայի պետ (1943-50), ԽՍՀՄ ԳԱ Պավլովի անվան ֆիզիոլոգիայի ինստիտուտի տնօրեն (1936-50), ԽՍՀՄ ԲԳԱ Պավլովի անվան էվոլյուցիոն ֆիզիոլոգիայի և բարձրագույն նյարդային գործունեության ախտաբանության ինստիտուտի տնօրեն (1939-50), ԽՍՀՄ ԳԱ կենսաբանական գիտությունների բաժանմունքի ակադեմիկոս քարտուղար (1939-48), փոխնախագահ (1942-46)։ 1956 թ-ին կազմակերպել և ղեկավարել է ԽՍՀՄ ԳԱ Ի. Մ. Սեչենովի անվան էվոլյուցիոն ֆիզիոլոգիայի ինստիտուտը։ Օրբելին Իվան Պավլովի մերձավորագույն աշակերտն ու աշխատակիցն էր, և նրա մահից (1937) հետո եղել է նրա անվան ֆիզիոլոգիական համամիութենական ընկերության կենտրոնական վարչության նախագահը։
Օրբելու աշխատանքները հիմնարար ներդրում են ֆիզիոլոգիայի տարբեր բաժինների զարգացման գործում և ունեն համաշխարհային ճանաչում։ Զարգացնելով բարձրագույն նյարդային գործունեության մասին Պավլովի ուսմունքը, նա ցույց տվեց, որ պայմանական ռեֆլեքսների մշակման գործընթացը կարող է բացատրել ֆիզիոլոգիական ֆունկցիաների համադասեցման զարգացման ընթացքը։ Նույն էվոլյուցիոն մոտեցումը նկատվում է նաև նրա՝ մարդու, առանձնապես՝ երեխաների, բարձրագույն նյարդային գործունեությանը վերաբերող աշխատանքներում։ Ֆունկցիաների համադասեցման մասին Օրբելու ստեղծած ուսմունքից էլ սկիզբ են առել հետագայում նրա ստեղծած գիտական ուղղությունները էվոլյուցիոն ֆիզիոլոգիայի և վեգետատիվ նյարդային համակարգի ֆիզիոլոգիայի բնագավառներում։
Օրբելին, լինելով ֆիզիոլոգիայում էվոլյուցիոն ուղղության հիմնադիրը, ձևակերպել է այդ ուղղության մեթոդներն ու խնդիրները, որոնք պարզաբանում են կենդանի օրգանիզմների ֆունկցիաների զարգացման ողջ պատմությունը՝ կապված արտաքին և ներքին միջավայրերի շարժուն փոխանակության հետ։ Օրբելու մշակած էվոլյուցիոն ֆիզիոլոգիայի սկզբունքները, որպես հզոր հետազոտական միջոց, լայնորեն կիրառվում են ժամանակակից հետազոտություններում։ Օրբելին նշանակալի աշխատանքներ է կատարել ուղեղիկի ֆիզիոլոգիայի բնագավառում, ցույց տվել, որ օրգանիզմի ռեֆլեքտոր գործունեության համընդհանուր կարգավորումն իրագործվում է հիմնականում այդ օրգանի արգելակիչ ֆունկցիայի շնորհիվ։ 1930-ական թվականներից Օրբելին լայն հետազոտություններ է կատարել ստորջրյա և ավիացիոն ֆիզիոլոգիայի բնագավառներում, որոնք անմիջականորեն կապվում էին ոչ միայն տեսական, այլև գործնական, այդ թվում նաև ռազմական, խնդիրների հետ։
Օրբելին հիմնավորել է ողնուղեղային կոորդինացիաների դինամիկության տեսությունը, բազմաթիվ կարևոր ընդհանրացումներ կատարել բարձրագույն նյարդային գործունեության ֆիզիոլոգիայի բնագավառում։ Նրա ղեկավարությամբ հիմնարար հետազոտություններ են կատարվել զգայարանների ֆիզիոլոգիայի, հարմարվողականության պրոցեսների, աֆերենտ համակարգերի փոխներգործությունների բնագավառներում ևն։ [փա՞ստ]
Օրբելին ստեղծել է ֆիզիոլոգիական ամենաընդարձակ դպրոցներից մեկը։ Նա կարևոր ավանդ ունի Հայաստանում ֆիզիոլոգիայի զարգացման գործում։ Նրա անունով է կոչվում ՀՀ ԳԱ ֆիզիոլոգիայի ինստիտուտը։
Օրբելի-Գինեցինսկու ֆենոմենը 1923 թ-ին նկարագրվել է Լևոն Օրբելիի և Ա. Գինեցինսկու կողմից, և այն է, որ կմախքային մկանի եկրարատև կծկումներից առաջացած հոգնածությունը գորտի մոտ հնարավոր է վերականգնել սիմպաթիկ նյարդաթելի գրգռումով։ Ֆենոմենի հայտնաբերմամբ ստեղծվեց նոր տեսություն սիմպաթիկ նյարդային համակարգի հարմարվողական-սնուցողական ֆունկցիայի մասին։ Պավլովը գտնում էր, որ Օրբելու տվյալները լուծում են սնուցողական նյարդավորման մասին եղած հարյուրամյա հանելուկը։ Լևոն Օրբելին գտնում էր, որ սիմպաթիկ նյարդավորումը կմախքային մկանների վրա կարող է ունենալ այնպիսի ազդեցություն, ինչպիսին ունի ներքին օրգանների հարթ մկանների և սրտամկանի վրա։ Նշված ազդեցության մեջ առանձնացվում է հարմարվողական ազդեցությունը և սիմպաթիկ նյարդերի սնուցողական ֆունկցիան։ Վերջինս առնչվում է հյուսվածքի ֆիզիկա-քիմիական վիճակի և նրա նյութափոխանակության դինամիկ փոփոխությունների հետ։ Սիմպաթիկ նյարդը գրգռելիս անուղղակի դրդումից հյուծված կմախքային մկանի ֆունկցիան նորմալանում է, բարձրանում է գրգռականությունը և կծկողունակությունը, մեծանում մկանային կծկումների ուժը։ Պարզված է, որ Օրբելի-Գինեցինսկու երևույթի հիմքում ընկած է հումորալ կարգավորման մեխանիզմը՝ կապված անոթաշարժիչ նյարդերից կատեխոլամինների արտազատման հետ, որն ի հայտ է գալիս սիմպաթիկ նյարդը գրգռելիս։
Օրբելին եղել է Փարիզի կենսաբանական ընկերության (1930), բնախույզների գերմանական «Լեոպոլդինա» ակադեմիայի (1931), անգլիական ֆիզիոլոգիական ընկերության պատվավոր (1946) և արտասահմանյան այլ ակադեմիաների ու ընկերությունների անդամ։ Պարգևատրվել է Պավլովի անվան (1937) և ԽՍՀՄ պետական (1941) մրցանակներով, Մեչնիկովի անվան ոսկե մեդալով (1946), ինչպես նաև Լենինի 4, Կարմիր դրոշի 2, Աշխատանքային կարմիր դրոշի և Կարմիր աստղի շքանշաններով ու մեդալներով։
Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 12, էջ 583)։