ორბელმა მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ევოლუციური ფიზიოლოგიის განვითარებაში. მან ამ თემასთან დაკავშირებით მრავალი ექსპერიმენტი ჩაატარა. თეორეტიკულ მეცნიერებაზე და ევოლუციურ ფიზიოლოგიაზე 200-ზე მეტი ნაშრომი დაწერა და 130-ზე მეტი საგაზეთო სტატია.
ლეონ ორბელი დაიბადა სომხეთში ქალაქ წაღკაძორში. 1899 წელს მან დაამთავრა თბილისის გიმნაზია და სწავლა განაგრძო საქტ-პეტერბურგის საიმპერატორო სამხედრო-სამედიცინო აკადემიაში. როდესაც ლეონი მეორე კურსზე სწავლობდა მან მუშაობა დაიწყო ივანე პავლოვის (1849–1936) ლაბორატორიაში. შემდეგი ოცდათხუთმეტი წლის განმავლობაში ორბელის ცხოვრება და სამეცნიერო კარიერა მჭიდროდ იყო დაკავშირებული ივანე პავლოვის ნაშრომებთან.
ორბელმა სამხედრო-სამედიცინო აკადემია 1904 წელს დაასრულა და კრონშტადტის ნიკოლაის საავადმყოფოში (სანქტ-პეტერბურგის საზღვაო საავადმყოფო) დაიწყო ინტერნად მუშაობა. ამან ორბელს შესაძლებლობა მისცა გაეგრძელებინა თავისი ექსპერიმენტული საქმიანობა პავლოვის ლაბორატორიაში.
ორბელის სამეცნიერო კარიერა რუსეთის წამყვან ფიზიოლოგიურ ცენტრებში წარიმართა. ლეონი პავლოვს 1907 შეუერთდა, მაშინ როდესაც პავლოვი გარემოს რეფლექსებზე თავის კვლევას ასრულებდა. 1907 წლიდან 1920 წლამდე ორბელი იყო პავლოვის ასისტენტი ფიზიოლოგიის დეპარტამენტში ექსპერიმენტული მედიცინის განხრით.
1918-1946 წლებში ლეონ ორბელი იყო პიტერ ლესგაფთის სამეცნიერო კვლევითი ინსტიტუტის ფიზიკურ მეცნიერებათა ფაკულტეტის დეპარტამენტის ხელმძღვანელი. 1920 წლიდან 1931 წლამდე ორბელი იყო სანქტ-პეტერბურგის პირველი სამედიცინო ინსტიტუტის, ხოლო 1925 წლიდან 1950 წლამდე სამხედრო-სამედიცინო აკადემიის ფსიქოლოგიის ლექტორი. 1943 წლიდან 1950 წლამდე ლეონი იყო სამხედრო-სამედიცინო ინსტიტუტის ხელმძღვანელი.
ორბელი ორი წლის განმავლობაში მუშაობდა საზღვარგარეთ: გერმანიაში იუალდ ჰერინგთან (1834-1918) ერთად, ინგლისში ჯონ ნიუპორტ ლენგლაისთან (1852–1925) და ჯოსეფ ბერკროფტთან (1872–1947) ერთად, ხოლო ნეაპოლში მუშაობდა მარინეს ბიოლოგიურ სადგურში. 1936 წელს პავლოვის სიკვდილის შემდეგ ორბელი, უკვე რუსეთის გამორჩეული მეცნიერი, დანიშნეს პავლოვის ინსტიტუტის ხელმძღვანელად. 1939 წლიდან 1946 წლამდე ის იყო ბიოლოგიური მეცნიერების დეპარტამენტის დეკანი და სსრკ-ს სამეცნიერო აკადემიის (დღეს რუსეთის მეცნიერებათა აკადემია) ვიცე-პრეზიდენტი.
1956 წელს დააარსა სეჩენოვის ევოლუციური ფსიქოლოგიის ინსტიტუტი და ხელმძღვანელობდა მას 1958 წლამდე. 1935 წელს ორბელი აირჩიეს სსრკ-ს მეცნიერებათა აკადემიის აქტიურ წევრად. 1945 წელს მას მიანიჭეს სოციალისტური შრომის გმირის წოდება. მან მიიღო გენერალ-პოლკოვნიკის წოდება.
იოსებ ორბელი (სომხ.Հովսեփ Աբգարի Օրբելի, რუს.Иосиф Абгарович Орбели) — იოსებ და რუბენ ორბელების უმცროსი ძმა. ეთნიკურად სომეხი საბჭოთა აღმოსავლეთმცოდნე და აკადემიკოსი. იოსებ ორბელი ხელმძღვანელობდა ერმიტაჟის მუზეუმსლენინგრადში1934– 1951 წლებში. იოსები ორბელი არის სომხეთის მეცნიერებათა ეროვნული აკადემიის დამაარსებელი და პირველი პრეზიდენტი 1943–1947 წლებში.