Научные исследования посвящены исследованию вегетативной нервной системы, вопросам адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы, физиологии спинно-мозговых координаций и физиологии мозжечка.

Окончил Петербургскую военно-медицинскую академию (1904), генерал-полковник медицинской службы. Акад. АН СССР (1935), акад. АМН СССР (1943), акад. (1943).

Работал помощником И.П.Павлова (1907-1920). Проф. Ленинградского мед. ин-та (1920-1931), начальник Военно-медицинской академии (1943-1950). Директор Физиологического ин-та им. И.П.Павлова (1936-1950), ак.-секретарь Отделения биологических наук (1939-1946), вице-президент (1942-1946), Директор Ин-та эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова (1956-1958) АН СССР.

Лауреат Гос. премии СССР (1941). Герой Соц. Труда (1945).Награжден орденами Ленина (5), Трудового Красного Знамени (3), Красной Звезды.

Именем Л.А.Орбели назван Ин-т физиологии НАН РА (1959).