Село Орловка было основано в конце XVIII века, около 1780–1790 годов, переселенцами из внутренних губерний Российской империи. До 1820-х годов оно носило название Собачья балка и состояло из 46 дворов. В 1827 году в село прибыли переселенцы из Орловской губернии, которые дали ему современное название — Орловка. В период с 1830 по 1842 годы в село переселялись крестьяне из Тамбовской, Курской, Тульской и Рязанской губерний. К 1842 году заселение завершилось, и Орловка насчитывала 162 двора и 1507 жителей.
Первые упоминания о религиозных сооружениях в Орловке относятся к 1847 году, когда был построен молитвенный дом, созданный из пожертвованной часовни поручика И.И. Страхова, ранее находившейся в деревне Мечетка.
В 1871–1873 годах в селе была возведена деревянная однопрестольная церковь во имя Архангела Михаила. Церковь была обнесена каменной оградой и располагалась при въезде в село по дороге из слободы Пичуги.
К началу XX века церковь играла важную роль в духовной жизни села. В 1883 году рядом с церковью было открыто земское училище, построенное на средства крестьян. В 1889 году в училище обучались 60 детей. К 1890 году в селе насчитывалось 216 дворов и 1273 жителя. Село состояло из трех частей, названных по прежнему месту обитания переселенцев: Рязанская, Ливенская и Столбочинская.
В 1898 году в Орловке имелось: одна деревянная церковь, одна земская школа, общественный запасный хлебный магазин, пожарный сарай с необходимым оборудованием, три мелочных и одна винная лавки, 13 ветряных мукомольных мельниц, 17 маслобоен и одна кузница. Постройки были преимущественно деревянными, крытыми соломой или камышом.
В советский период, в 1930-е годы, церковь была разрушена, как и многие религиозные сооружения того времени. В последующие десятилетия на месте церкви не проводились богослужения, и здание не использовалось по назначению.
В начале 2000 года жители села Орловка обратились к митрополиту Воронежскому и Липецкому с прошением о создании прихода во имя Архангела Михаила. Благословение было получено, и летом того же года на средства прихожан был приобретен дом, который обустроили под храм. Позднее к зданию была пристроена колокольня.