Né à Canterbury, Orlando Bloom rejoint à l'âge de seize ans le National Youth Theatre de Londres avant de poursuivre ses études à la prestigieuse British American Drama Academy.

En 1997, l'acteur tourne dans son premier film, Wilde, aux côtés de Stephen Fry, de Jude Law et de Vanessa Redgrave. Malgré de nombreuses autres propositions, Bloom décide de parfaire sa formation de comédien à la Guildhall School of Music and Drama de Londres. Au cours de ces trois années d'études, il se consacre uniquement au théâtre, jouant notamment dans les classiques La Mouette, Antigone et Mephisto.

Après quelques expériences à la télévision, le comédien est contacté par Peter Jackson pour participer à la trilogie du Seigneur des anneaux, adaptation de l’œuvre de J.R.R. Tolkien. Initialement auditionné pour camper le personnage de Faramir, frère de Boromir (Sean Bean), Orlando est retenu pour incarner l'Elfe Legolas, archer émérite et membre essentiel de la Communauté de l'Anneau. Un rôle qu'il interprétera dans les trois volets de la saga, tournés simultanément entre 1999 et 2000.

Fort de cette prestation, Orlando Bloom incarne un ranger américain dans La Chute du faucon noir (2001) de Ridley Scott. Nouvelle coqueluche des adolescentes midinettes, le Britannique continue sur la voie du succès en interprétant aux côtés de Johnny Depp un jeune flibustier, Will Turner, pour les besoins de Pirates des Caraïbes, la malédiction du Black Pearl (2003).

Sa "gueule d'ange" lui permet par ailleurs de tenir le rôle du prince Paris, responsable de l'enlèvement d'Hélène, reine de Sparte, dans la fresque épique Troie (2004) de Wolfgang Petersen. Le comédien enfile une autre armure : celle d'un chevalier pour partir en croisade dans Kingdom of Heaven de Ridley Scott (2005) aux côtés de Liam Neeson.

Après s'être illustré dans la comédie romantique de Cameron Crowe, Rencontres à Elizabethtown, le natif de Canterbury retrouve son mentor Johnny Depp pour boucler la trilogie Pirates des Caraïbes dans Le secret du coffre maudit en 2006 et Jusqu'au bout du monde en 2007.

En 2011, Paul W.S. Anderson fait appel à lui pour incarner le mesquin Duc de Buckingham dans son adaptation haute en couleurs du roman d'Alexandre Dumas, Les Trois Mousquetaires. Le comédien s'amuse à incarner ce personnage de méchant, lui qui n'avait jusqu'ici prêté ses traits qu'à des personnages "bons". L'année suivante, Bloom est de nouveau sollicité par Peter Jackson pour se glisser une nouvelle fois dans la peau de l'elfe Legolas dans Le Hobbit : un voyage inattendu.

En 2017, Orlando reprend son rôle de Will dans Pirates des Caraïbes, La Vengeance de Salazar. Il croise également la route de Noomi Rapace, Michael Douglas et John Malkovich dans le thriller d'espionnage Conspiracy. Privilégiant l'action (The Shanghaï Job, Assiégés, Gran Turismo), il est aussi à l'affiche du film de SF romantique Needle in a Timestack. Côté petit lucarne, il incarne l'un des deux héros de la série policière et fantastique Carnival Row (2019 - 2023), céée par Guillermo del Toro pour Amazon.