В Красной Армии с ноября 1939г.

Вероятно, поступил в Харьковское военное авиационное училище летнабов и штурманов.

23 января 1940г. принял военную присягу.

28 ноября 1940г., по окончанию училища, выпускникам присвоено звание младший лейтенант. Группа выпускников была назначена младшими летнабами (летчиками-наблюдателями) в 45 скоростной бомбардировочный авиаполк.

К началу войны полк базировался в Гросулово и Тирасполе. Имел на вооружении самолеты СБ и Пе-2.

22 июня 1941г. в 05-15 аэродром Гросулово подвергся бомбардировке. Были уничтожены 8 самолетов СБ и 2 Пе-2, ранены 9 человек.

В 12-10 полк звеном Пе-2 бомбил железнодорожный мост на р.Прут в районе г.Яссы.

23 июня в 19-00 18 самолетов полка бомбили переправы на р.Прут и скопление войск противника в районе г.Яссы и с.Скуляны.

24 июня 1941г. полк первым вылетом 18 самолетами СБ бомбардировал пехоту, артиллерию и  танки противника в г.Унгень и с.Скуляны.

Вторым вылетом- 24 СБ бомбили войска противника в районах Скуляны- Боуша.

Третьим вылетом 9 СБ- в районах г.Унгень и с.Скуляны.

Четвертым вылетом 27 СБ- в районе с.Кетриш (Фалешский р-н).

К 25 июня полк базировался на аэродромах Славяносербская и Новосавицкое (Одесская обл.). С 08-40 9 самолетов СБ бомбили переправы на р.Прут в 3-4км. южнее Товера.

К 30 августа 1941г. младший лейтенант Орлов совершил 46 боевых вылетов, был представлен к ордену Красного Знамени.

Приказ о награждении от 17 июня 1942г.

В сентябре 1941г. полк был направлен на переформирование.

К лету 1942г. личный состав прошел переобучение на американские бомбардировщики «Бостон».

Вошел в состав 221 бомбардировочной авиадивизии. Вел боевую работу на Юго-Западном и Воронежском фронтах.

К концу 1942г. лейтенант Орлов совершил 78 успешных боевых вылетов. Командиром 1 авиаэскадрильи полка майором Бебчик Николаем Савельевичем был представлен к ордену Отечественной войны II степени. Приказ о награждении от 28 января 1943г.

В марте 1943г. полк направлен на переформирование.

Сергей Ефимович был переведен в состав 57 бомбардировочного авиаполка, той же, 221 бомбардировочной авиадивизии. В конце февраля 1943г. командиром полка был назначен майор Бебчик.

10 марта 1943г. полк убыл на аэроузел Тамбов на доукомплектование.

К июню 1943г. на Воронежском фронте.

В ночь с 13 на 14 июня полк одиночными экипажами бомбардировал аэродром Карачев и склад боеприпасов в Брасово.

В ночь с 15 на 16 июня- вел разведку ночных аэродромов противника в районе Орел- Карачев.

Полк участвовал в Курском сражении.

06 июля бомбардировал войска противника в районе Новый Хутор.

07 июля- танки противника в районе Подолянь.

08 июля 1943г. при бомбардировке скопления танков противника у Нового Хутора (Малоархангельский р-н), над целью зенитным огнем был сбит самолет «Бостон» экипажа: заместитель командира эскадрильи старший лейтенант Миленький Федор Федосеевич, штурман звена лейтенант Орлов Сергей Ефимович, воздушный стрелок-радист Сабельников Николай Ермолаевич, воздушный стрелок Шелковой Александр Иванович. Зенитный снаряд взорвался в кабине пилота, оторвав кабину штурмана. Очнувшись от контузии, Сергей Ефимович покинул падающую кабину с парашютом. При приземлении был взят в плен. Бежал. Возвратился в полк 20 августа 1943г.

В полку числился погибшим. Матери было направлено извещение. Внесен в поименный список захоронения- братской могилы в г.Малоархангельск, Орловская обл.

С 24 августа полк базировался на аэродроме Фатеж.

К октябрю 1944г. Сергей Ефимович штурман 3 эскадрильи 8 гвардейского бомбардировочного авиаполка, той же, 221 бомбардировочной авиадивизии. Командир эскадрильи гвардии старший лейтенант Лесков Геннадий Васильевич.

К концу января 1945г. гвардии старший лейтенант Орлов совершил 103 боевых вылета. Был представлен к ордену Красного Знамени. Приказом от 28 февраля 1945г. был награжден орденом Отечественной войны I степени.

Награжден медалями «За освобождение Варшавы», «За взятие Берлина», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.»

За долголетнюю и безупречную службу в 1950г. награжден медалью «За боевые заслуги», в 1955г.- орденом Красной Звезды.

Гвардии полковник Орлов был уволен в запас 08 октября 1973г.

В честь 40-летия Победы награжден орденом Отечественной войны I степени.