Климат территории Орловского района – умеренно-континентальный. Самый холодный месяц - январь со среднемесячной температурой –6ºС, самый жаркий – июль (+23,7ºС). Среднегодовая температура - +8,3ºС. Максимальное количество осадков выпадает в июне – 46 мм, минимальное – в сентябре, до 27 мм. Среднегодовое количество осадков – 397 мм.
Район расположен на стыке двух почвенных зон - черноземной и каштановой. Значительная часть почв имеет переходный характер. Основными чертами почвенного покрова Орловского района является его комплексность, слабая гумусированность, сравнительно небольшая мощность почвенного профиля и заметное распространение солонцов и солонцеватых почв.
На территории района действуют карьеры по добыче песка, камня-ракушечника и глины. Запасы карьера по добыче песка в х. Верхоломовском составляют 1826 тыс. м³. Запасы карьера по добыче камня-ракушечника в 36 км юго-восточнее железнодорожной станции Двойная утверждены в размере 2386,4 тыс. м³. В районе действуют также два карьера по добыче глины запасами 780,38 тыс.м³ и 917,86 тыс.м³.
Водный фонд района составляет 7931 га, в том числе 7136 га занимает часть акватории уникального рекликтового озера Маныч-Гудило. Озеро, располагающееся на границе Ростовской области, Ставропольского края и Калмыкии, представляет собой сохранившуюся часть древнего водоёма, соединявшего прежде Чёрное и Каспийское моря. Средняя глубина озера 0,6 м. Маныч-Гудило уникально тем, что уровень минерализации воды в нем скорее морской (17-29 г/л), нежели пресноводный. Образующиеся весной в результате разлива Маныча временные (пересыхающие летом) водоемы также являются солеными.
Острова Водный (Южный) и Горелый в северо-западной оконечности Маныч-Гудило, прилегающая акватория озера и 10 га материкового озерного берега входят в состав Островного участка Ростовского государственного природного заповедника. В Орловском районе расположено два участка заповедника – помимо Островного, также Стариковский участок на востоке района. Территория водного фонда озера Маныч-Гудило и прилегающей материковой части охранной зоны имеет статус водно-болотного угодья международного значения, что устанавливает на нем особый режим охраны и использования. Это имеет особое значение в свете целого ряда угрожающих существованию озера факторов, в основном антропогенного характера. Сокращение использования вод на полив сельхозугодий приводит к понижению уровня воды в озере и росту ее минерализации, увеличению площади островов. Непоправимый ущерб сохранению фауны наносит весенняя охота на пролетных птиц.
Между тем на побережье озера Маныч-Гудило сохранились природные условия, способствующие воспроизводству многих видов степных животных и растений, занесенных в Красную книгу. Побережье озера расположено в пределах самой крупной миграционной трассы птиц в Евразии, соединяющей Западную Сибирь, Таймыр и Казахстан с Ближним и Средним Востоком, Северной и Восточной Африкой. В настоящее время угодье является одним из самых крупных мест длительных остановок мигрирующих гусеобразных и околоводных птиц в пределах России. Общий масштаб миграции различными авторами оценивается у уток в 800-1500 тыс. особей, у гусей – в 350-600 тыс. особей.
Сенсацией мирового уровня стало известие о существовании в Орловском районе на острове Водном табуна диких донских лошадей-мустангов. В 1970-80 годах численность лошадей доходила до 80 голов, в настоящее время - более 200 голов.