Некоторое время спустя последовал Высочайший указ о переводе Орлова на службу в столицу, в один из артиллерийских полков. В Петербурге проходили службу и его братья, своими кутежами и драками завоевавшие исключительно высокий авторитет среди гвардейской молодежи. Братья держались всегда вместе, в готовности выручить, поддержать один другого. Несмотря на скандальную известность 26-летний Григорий Орлов назначается адъютантом к генерал-фельдцейхмейстеру графу П.И. Шувалову. В начале 1762 года по протекции Великой Княгини Екатерины Алексеевны он получает чин капитана артиллерии и должность «цалмейстера Канцелярии Главной артиллерии и фортификации», т. е. казначея российского артиллерийско-инженерного ведомства.
Назначение Орлова на эту должность предоставило возможность располагать необходимыми денежными средствами с целью подготовки свержения Петра III. В июньских событиях 1762 года энергия братьев Орловых нашла свое истинное применение. Император Петр Федорович был свергнут с престола. Орловы стали главными действующими лицами государственного переворота, возведшего на трон Екатерину II. Именно за ними пошли гвардейские полки, что предопределило бескровную (исключая убийство собственного супруга) победу новой русской Императрицы. Здвездопад наград посыпался на Орлова. Он был произведен в генерал-майоры и действительные камергеры. Его наградили орденом Св. Александра Невского и шпагой, украшенной бриллиантами. Также он получил приказание быть главным распорядителем в коронационных торжествах. Одновременно все братья Орловы возводятся в графское Российской Империи достоинство. Григорий Орлов, кроме того, был назначен генерал-адъютантом, его грудь украсил орден Св. Андрея Первозванного, он был возведен в чин подполковника Лейб-Гвардии Конного полка[23], одновременно назначен шефом Кавалергардского корпуса, возведен в достоинство Светлейшего Князя Священной Римской Империи. Его значение и влияние при дворе быстро возрастали. Он становится одним из самых близких друзей русской Императрицы, посвященных во многие государственные дела. Вместе с тем, сознавая недостаточность образования для своего резко изменившегося положения, Григорий Григорьевич усердно занимался самообразованием. Он интересовался физикой, астрономией,