Владимир Орлов-Давыдов родился в Петербурге в 1837 году. Его крестили вместе с братом-близнецом Анатолием в Исаакиевском соборе. Владимир получил хорошее домашнее образование. В 1855 году зачислен на военную службу — унтер-офицером в 4-й дивизион Кавалергардского полка. На следующий год его произвели в корнеты и вслед за тем перевели в действующую на Кавказе армию.

На Кавказе Владимир Орлов-Давыдов принимал участие в постоянных столкновениях с горцами. В 1859 году он был произведен в поручики и назначен для особых поручений к своему дяде, главнокомандующему Кавказской армией генерал-фельдмаршалу князю Александру Барятинскому. В 1860 году в чине капитана и командира 3-й роты 20-го стрелкового батальона граф получил орден Святого Станислава 3-й степени с мечами и бантом — за отличие в делах с горцами. В том же году при взятии штурмом аула Беной был тяжело ранен.

В 1861 году Орлов-Давыдов перевелся в Кавалергардский полк ротмистром с назначением адъютантом к главнокомандующему Кавказской армией, а в 1863 году его снова перевели — с производством в подполковники — в Кабардинский пехотный полк. В 1864 году графа назначили флигель-адъютантом, произвели в полковники и отправили в качестве курьера в Лондон. Вернувшись в Россию, граф в 1865 году ездил в Воронежскую губернию наблюдать за рекрутским набором и несколько раз — на Кавказ к великому князю Михаилу Николаевичу по разнообразным поручениям.

В 1866 году Орлова-Давыдова произвели в генерал-майоры с назначением в свиту, а затем — Симбирским губернатором (1866–1868 годы). При нем продолжили восстановление Симбирска после пожара 1864 года, впервые построили водопровод, также открылась чувашская учительская школа.

В 1868 году Владимир Орлов-Давыдов уволился с должности губернатора и был причислен к Министерству внутренних дел с оставлением в свите. Скончался от болезни 7 апреля 1870 года на острове Корфу. За заслуги перед Отечеством в разные годы был награжден орденом Святой Анны 3-й степени с мечами и бантом, орденом Святого Станислава 3-й степени с мечами и бантом, орденом Святого Владимира 4-й степени с мечами и бантом, орденом Святого Владимира 3-й степени с мечами над орденом.