Հովսեփ Օրբելին ծնվել է 1887 թվականի մարտի 20-ին Քութայիսի քաղաքում, Աբգար Օրբելու և Վառվառա Արղության-Երկայնաբազուկի ընտանիքում։ Եղել է ընտանիքի կրտսեր որդին[8]։ 1904 թվականին ավարտել է Թիֆլիսի արական 3-րդ գիմնազիան, որտեղ նրան դասավանդել են Ս. Ժեբելյևը, Մ. Ռոստովցևը, Ֆ. Զելինսկին, արևելագետ Յա. Սմիռնովը, բյուզանդագետ Վ. Բենեշևիչը՝ զուգահեռ հաճախելով նաև արևելագիտական ֆակուլտետի հայ-վրաց-պարսկական բաժնի դասընթացներին։
Ուսանողական տարիներից զբաղվել է գիտական գործունեությամբ. Բրոկհաուզի և Եֆրոնի նոր հանրագիտական բառարանի համար գրել է հայկական, վրացական և իսլամական արվեստին վերաբերող հոդվածներ, Նիկողայոս Մառի ղեկավարությամբ մասնակցել է Անիի պեղումներին և այլ հնագիտական արշավախմբերի։
1909 թ. ուսումնասիրել է Լեռնային Ղարաբաղի հայկական արձանագրությունները։ 1911 թվականից աշխատել է Սանկտ Պետերբուրգի համալսարանի հայ-վրացական բանասիրության ամբիոնում։ 1911-1912 թթ., ԳԱ գործուղմամբ, ուսումնասիրել է Սոկսի հայերի և քրդերի բարբառն ու բանահյուսությունը, Էրզրումի, Բայազետի, Վանի, Աղթամարի, Բագավանի ճարտարապետական հուշարձանները, հնագիտական պեղումներ կատարել Թոփրակկալեում և Հայկաբերդում։ 1912 թ. ընտրվել է Սանկտ Պետերբուրգի Ռուսաստանի հնագիտական ընկերության անդամ։ 1914 թվականից Սանկտ Պետերբուրգի համալսարանի արևելագիտական ֆակուլտետում դասավանդել է հնագիտություն և Հայաստանի պատմություն, հայկական արձանագրագիտություն, քրդերեն։ 1916 թ. Նիկողայոս Մառի հետ Վանում պեղումների ժամանակ հայտնաբերել է Սարդուրի Բ-ի մեծածավալ սեպագիր արձանագրությունը։
1917-1918 թթ. շարունակել Է աշխատանքը Պետրոգրադի համալսարանում, դասավանդել նաև Հնագիտության ինստիտուտում, Մոսկվայի Լազարյան ճեմարանում, ընտրվել է Պետական հնագիտական հանձնաժողովի խորհրդի անդամ, Մոսկովյան հնագիտության ընկերության իսկական անդամ։ 1919 թ.՝ Խորհրդային Ռուսաստանի լուսժողկոմատի՝ թանգարանների գործերով կոլեգիայի գիտության քարտուղար, մեծ աշխատանք է կատարել մասնավոր հավաքածուների թանգարանային նմուշները պետական սեփականություն դարձնելու ուղղությամբ։ Մասնակցել է Նյութական մշակույթի պատմության ռուսաստանյան (հետագայում՝ պետ.) ակադեմիայի հիմնադրմանը, 1919 թվականի օգոստոսին ընտրվել է այդ ակադեմիայի անդամ, գլխավորել Հայաստանի և Վրաստանի հնագիտության ու արվեստի բաժինը։ 1920 թ.՝ Պետրոգրադի Էրմիտաժի ավանդապահ, 1926 թ. հիմնադրել և գլխավորել է Արևելքի բաժինը, 1934-1951 թթ.՝ Էրմիտաժի տնօրեն։
Հայրենական պատերազմի (1941- 1945) սկզբին կազմակերպել է Էրմիտաժի գեղարվեստի արժեքների տարհանումը Սվերդլովսկ (այժմ՝ Եկատերինբուրգ), այնուհետև մնալով պաշարված Լենինգրադում՝ ապահովել է էրմիտաժի և մի շարք այլ հավաքածուների՝ քաղաքում գտնվող թանգարանային նմուշների պահպանումը[9][10]։
Ս. Պետերբուրգի (ապա՝ Լենինգրադի) համալսարանի պրիվատ-դոց., դոց. (1914-1918), պրոֆ. (1919-1933, 1955-1961)
Էրմիտաժի ավանդապահ (1920-1926), բաժնի վարիչ (1926-1933), տնօրեն (1934-1951)
Հայ-վրացական բանասիրության (1925-1929), նյութական մշակույթի (1929-1931)
1928֊ 1929 թթ. և 1936 թ., որպես գիտական արշավախմբի ղեկավար, աշխատել է Դաղստանում, Հայաստանում (ուսումնասիրել է Գառնիի, Պտղնիի, Փարպիի, Աշտարակի, Ամբերդի հուշարձանները)
ԽՍՀՄ ԳԱ նյութական մշակույթի պատմության ինստիտուտի տնօրեն (1937-1939)
1937-1938 թթ. (համատեղության կարգով)՝ ԽՍՀՄ ԳԱ Նյութական մշակույթի պատմության ինստիտուտի տնօրեն, 1938 թվականին՝ Արմֆանի (ԽՍՀՄ ԳԱ հայկական մասնաճյուղ) նախագահության նախագահ
ԽՍՀՄ ԳԱ հայկական մասնաճյուղի նախագահության նախագահ (1938-1943)
Աշխատությունները վերաբերում են հայագիտությանը («Հայագիտական հետազոտություններ», պր. 1, 1974), հնագիտությանը (կազմել է Անիի հնադարանում պահվող և այժմ մեծ մասամբ կորած հնագիտական գտածոների գիտական նկարագրությունը և այլն)։
Հովսեփ Օրբելին ժամանակակից հայ վիմագրագիտության հիմնադիրն է. դեռևս 1914- 1917 թթ., հիմնականում «Քրիստոնյա Արևելք» (ռուսերեն) հանդեսում, տպագրել է Անիի արձանագրությունների իր ուսումնասիրությունները («Դիվան հայ վիմագրության», պր. 1, 1966)։
Խմբագրել է «Սասունցի Դավիթ» դյուցազնավեպի համահավաք բնագիրը և ռուսական թարգմանությունը, հրատարակել դրան նվիրված հատուկ ուսումնասիրություն («Հայկական հերոսական էպոսը», ռուսերեն և հայերեն, 1956)։
Հովսեփ Օրբելին ուսումնասիրել և ռուսերեն է թարգմանել հայկական միջնադարյան առակները («Միջնադարյան Հայաստանի առակները», ռուս., 1956), Եղիշեի, Ղազար Փարպեցու, Թովմա Արծրունու երկերը (մեծ մասն անտիպ է)։
Ճարտարապետության բնագավառում արժեքավոր է Աղթամարի տաճարի նրա ուսումնասիրությունը։
Կազմել է Անիի և շրջակայքի ճարտարապետական և հնագիտական հուշարձանների հավաստի ուղեցույց։
Զբաղվել է հին և միջնադարյան իրանական արվեստի պատմությամբ, Կ. Վ. Տրևերի հետ ուսումնասիրել էրմիտաժում պահվող Սասանյան ժամանակաշրջանի մետաղե անոթները («Սասանյան մետաղը։ Գեղարվեստական առարկաներ ոսկուց, արծաթից և բրոնզից», ռուս., 1935)։