Marxà a Amèrica el 1528, i el 1538 s’uní a l’expedició de Francisco Pizarro al Perú. Aquest l’envià a colonitzar l’Equador, on fundà Guayaquil. El 1541 s’uní a l’expedició de Gonzalo Pizarro a l’Amazones. Pizarro tornà a Quito, però Orellana construí un petit vaixell i amb uns quants companys recorregué gairebé tot el curs de l’Amazones i les costes de Veneçuela en una de les més grans expedicions continentals i tornà a Espanya. El 1545 intentà una nova expedició a la Nueva Andalucía, però morí pel camí.