Pittore e disegnatore fiammingo, che lavorò anche ad arazzi e vetrate colorate, van Orley era noto come Barend van Orley, Bernard van Orley o Barend van Brussels. A volte firmava i suoi quadri con lo stemma Seigneurs d'Orley con armi, denaro e due palette rosse, o con il motto della sua famiglia "Elx sijne tijt” (A ogni uomo il suo giorno). Quando il pittore tedesco Albrecht Dürer (1471-1528) si trovava a Bruxelles, si affeziono a Orley tanto da definirlo il "Raffaello dei Paesi Bassi".
Nato a Bruxelles, si racconta che si sia formato presso Raffaello (1483-1520), a Roma, nel 1509. Tuttavia, la sua prima formazione avvenne più probabilmente sotto il padre, Valentin van Orley (1466-1532), che figurava tra gli artisti della Gilda di san Luca di Anversa. Il suo rapporto con Raffaello è evidente negli arazzi eseguiti con Michael Cocxie per papa Leone X, tra il 1516 e il 1520, che riprendono gli Atti degli Apostoli del pittore italiano.
Van Orley fu uno dei principali pittori fiamminghi ad essere influenzato dal Rinascimento, portando avanti uno stile chiamato Romanismo. Ne fanno parte artisti come i tedeschi Jan van Scorel (1495 – 1562) e Marten van Heemskerck (1498 – 1574), e il fiammingo Jan Mabuse (prima del 1500?–1532). Nella prima produzione di Orley, intorno al 1512, figurano opere come l'altare degli Apostoli nella chiesa di Nostra Signora di Sablon, a Bruxelles, nel solco della tradizione pittorica olandese, rappresentata da Jan van Eyck (1385 – 1441). Successivamente condusse la sua arte verso il Romanismo, sotto l'influenza di Raffaello e Michelangelo, con opere come la pala d'altare per la Confraternita della Santa Croce a Furnes, terminata nel 1522.
Nel corso di questo periodo gli furono commissionati molti ritratti; dipinse, tra vari regnanti, anche il re di Spagna Carlo V, nel 1516. Dal 1517 divenne maestro della Gilda di san Luca di Anversa, come in precedenza suo padre, e fu pittore di corte per Margherita d'Austria, reggente dei Paesi Bassi e zia di Carlo V. Margherita commissionò a Orley uno dei suoi lavori più apprezzati, il Trittico della Pietà, del 1521, ispirato a una sua poesia. In questo periodo Orley aprì anche una bottega, dove si formarono Michael Cocxie e Pieter de Kempeneer, che lavorò col maestro nel 1525, al trittico del Giudizio Universale per la cattedrale di Nostra Signora di Anversa. Il successo di Orley cessò rapidamente quando venne condannato in quanto simpatizzante del Protestantesimo, ma reclamò la propria posizione quando Maria d'Austria ereditò la corona di Margherita.
Al di là dei suoi dipinti, tra cui figurano opere come il Ritratto di ignoto e di sua moglie, esposto agli Uffizi, van Orley era probabilmente più apprezzato per i suoi arazzi. Dopo il 1530 la sua attività si spostò quasi completamente dai dipinti agli arazzi, che divennero progressivamente dei quadri di tessuto. I più noti sono una serie di dodici arazzi, uno per ogni mese dell'anno, Le cacce di Massimiliano, eseguiti probabilmente per Carlo V. Nei suoi ultimi anni progettò anche delle vetrate colorate, ammirabili in Belgio, presso la concattedrale di san Michele e santa Gudula e la cattedrale di san Rombaldo, ma anche presso la chiesa Grande (o di san Bavone) ad Haarlem, in Olanda.