В 1908 году защитил докторскую диссертацию. В 1909–1911 годах проходил стажировку в физиологических лабораториях Англии, Германии, Италии.

В 1911 году Орбели становится помощником Павлова по Физиологическому отделу ИЭМ и получает звание приват-доцента а затем и доцента кафедры физиологии ВМА. Его избирают профессором Высших женских курсов.

В 1917 году избран в члены правления и секретарем Общества русских физиологов им. И. М. Сеченова. Также стал членом редколлегии «Физиологического журнала», а с 1937 года – ответственным редактором журнала.

С 1918 по 1957 год сначала возглавлял физиологическую лабораторию Государственного естественнонаучного института имени П. Ф. Лесгафта, потом стал заместителем директора по научной части. Был профессором физиологии и проректором по учебной работе Института физического образования им. П. Ф. Лесгафта.

В 1920–1931 годах был профессором Ленинградского Первого медицинского института. Также в 1925–1950 годах – начальник кафедры физиологии Военно-медицинской академии имени С. М. Кирова и с 1943 по 1950 год возглавлял Военно-медицинскую академию имени С. М. Кирова. В разные годы он был профессором Сельскохозяйственного и Химико-фармацевтического институтов в Ленинграде, Юрьевского университета.

В 1939–1950 годы – директор Института эволюционной физиологии и патологии высшей нервной деятельности имени И. П. Павлова АМН СССР.

С 1939 по 1948 год – академик-секретарь Отделения биологических наук. С 1942 по 1946 год – вице-президент Академии наук СССР.

В 1956 году стал директором Института эволюционной физиологии имени И. М. Сеченова АН СССР.

Умер 9 декабря 1958 года в Ленинграде.

У Л. А. Орбели более 130 научных работ. Он развил новое направление в науке – эволюционную физиологию, впервые получил объективные данные о зрительной функции животного, зависящей от деятельности полушарий головного мозга. Также он обосновал учение об адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы и об адаптационно-трофической роли вегетативной нервной системы.

Занимался исследованиями в области механизмов высшей нервной деятельности, сравнительной и возрастной физиологии условных рефлексов, влияния внешних факторов на высшую нервную деятельность и др.

Орбели и его ученики занимались проблемами боли, физиологии и патологии органов чувств, влияния на организм человека повышенного и пониженного барометрического давления, что нашло практическое применение в военной медицине.

Лауреат премии имени И. П. Павлова (1937), лауреат Сталинской премии (1941), заслуженный деятель науки РСФСР (1934), действительный член АН СССР (1935), действительный член АН Армянской ССР (1943), действительный член Академии медицинских наук СССР (1944).

Герой Социалистического Труда (1945), золотая медаль имени И. И. Мечникова АН СССР (1946, за совокупность работ в области эволюционной физиологии), 4 ордена Ленина (1944, 1945, 1945, 1957), 2 ордена Боевого Красного Знамени (1944, 1948), 2 ордена Трудового Красного Знамени (1936, 1952), орден Красной Звезды (1943), медали.

С 1930 года – член Парижского биологического общества. С 1931 года – член Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина», действительный член Медицинской академии в Париже, почетный член многих других медицинских обществ и академий.

В 1944 году Орбели было присвоено высшее для военных медиков воинское звание генерал-полковника медицинской службы.

Основоположник подводной археологии в СССР. Разработал методику предохранения от разрушения археологических экспонатов, поднятых со дна моря.

Родился в Нахичевани в семье юриста Абгара Иосифовича Орбели и Варвары Моисеевны Аргутинской-Долгорукой. Старший брат Леона и Иосифа Орбели.

По окончании 3-й мужской классической гимназии в Тифлисе поступил на юридический факультет Петербургского университета, по окончании которого в 1903 году был оставлен для приготовления к профессорской деятельности по кафедре гражданского права.

С 1904 по 1906 год Орбели работал в обществе магистрантов, был избран действительным членом юридического общества при университете Санкт-Петербурга, после чего был направлен на стажировку в Германию в Йенский университет.

В то же время Орбели был прикомандирован к Гражданскому кассационному департаменту Сената для прохождения практики по цивилистике, принимал участие в ревизиях, проводимых в Закавказье. Являлся автором и редактором отделов в периодических изданиях Министерства финансов, а с 1906 года стал действительным магистром прав Санкт-Петербургского университета и доктором прав Йенского университета. Состоял на службе в Гражданском кассационном департаменте Сената, где параллельно с юриспруденцией работал в области теории познания.

В 1918 году стал одним из организаторов, а после и преподавателем Тамбовского государственного университета, где читал лекции и отдельные курсы по юриспруденции, философии, этике. После возвращения в Петроград в 1920-е годы работал в системе Академии наук СССР, вёл работу на постах председателя месткома АН СССР, общественного инспектора труда, члена Ленинградского городского Совета XI созыва, читал лекции по предмету трудового права, вёл шефскую работу в армии, обследовал ленинградские театры в отношении социальных улучшений условий труда.

В 1934 году по рекомендации академика А. Н. Крылова был приглашён на работу в ЭПРОН (Экспедиция подводных работ особого назначения), где занимал должности научного консультанта, члена научно-технического совета и историографа. С этого момента Орбели занимался изучением подводных археологических памятников, по его инициативе и под его непосредственным руководством Эпрон организует в 1937–1939 годах ряд гидроархеологических экспедиций на Чёрное море и другие водные бассейны страны.

Он стал инициатором приказа № 100 от 5 августа 1937 года, изданного за подписью начальника ЭПРОНа Фотия Ивановича Крылова, который гласил: «Придавая исключительное значение производству научно-исследовательских работ с целью изучения находок под водой и в грунте, относящихся к древностям, а также произошедших в береговой полосе изменений, приступить к обследовательским работам близ Керчи, Феодосии, Херсонеса и Ольвии в течение августа – сентября текущего года. Для выполнения водолазных работ начальнику Военно-морского техникума выделить необходимое количество учеников, водолазов и соответствующие средства, а также ответственное лицо для руководства водолазными работами. Общее руководство указанными исследовательскими работами возлагаю на профессора Р. А. Орбели».

Водолазная организация, как отмечал Р. А. Орбели, «впервые в мире становится под знамя науки, переходит к систематическим раскопкам под водой, приступает к охране памятников древности, сама делается силой, способствующей развитию исторических знаний. Водолаз в условиях советской действительности получает возможность, при наличии интереса, перерасти в историка. Рождается новая отрасль исторической науки – подводная археология или гидроархеология».