Земля, 2418 год. Эд Мёрсер становится свидетелем измены супруги в собственном доме. Год спустя, несмотря на все прошлые прегрешения, Эда назначают капитаном космического разведывательного корабля. Недолго думая, Эд устраивает на корабль первым пилотом своего старого друга Гордона Маллоя, известного своими безбашенными выходками. Вскоре капитан знакомится с остальной командой, состоящей из самых разных представителей внеземных цивилизаций, однако радость Мёрсера по поводу нового назначения меркнет, когда мужчина узнает, кого назначили на должность его старшего помощника. Впрочем, долго переживать по этому поводу Эду не приходится – ведь уже первое его задание оборачивается полным опасностей приключением.

Когда «Орвилл» получает сигнал бедствия с корабля, на котором по странному стечению обстоятельств оказываются родители Мерсера, Эд с Келли лично отправляются на судно. Так как Бортус незадолго до этого взял декретный отпуск, главной на корабле остается Алара Китан, которая оказывается совсем не готова к тому, что ее ждет. Да еще и командир со старпомом таинственно исчезают, и новоявленной главе космического судна остается принять несколько непростых решений, но прежде всего — справиться со своим страхом ответственности.

Столкнувшись с беспрецедентным случаем рождения ребенка-девочки, Бортус решает изменить ее пол, как обычно делают все жители его расы, однако сталкивается с нежеланием доктора и капитана идти ему навстречу. Тем не менее попытка Эда с командой переубедить макланина дать ребенку шанс самому выбрать свое будущее неожиданно приносит результаты. Однако чтобы отвоевать право девочки оставаться собой, экипажу «Орвилла» придется посетить родную планету Бортуса и предстать перед местным трибуналом.

Находясь на границе исследованной части космоса, экипаж «Орвилла» замечает гигантский дрейфующий корабль возрастом около 2000 лет, чей курс, как оказывается, лежит прямо на одну из звезд. Решив выяснить, что скрывается в глубинах неподвижного судна, Мерсер, Грейсон, Китан, доктор Финн и Айзек проникают внутрь. Там они сталкиваются с самодостаточной биосистемой и населением, не подозревающим, что их мир — это всего лишь корабль. Захотят ли местные жители, чтобы странные незнакомцы спасали их от невидимой угрозы?

После того, как команда спасает брошенный на мель корабль и его привлекательного капитана, Эд влюбляется в нового гостя «Орвилла», в то время как Келли подозревает, что все не так, как кажется. Тем временем Гордон пытается научить Исаака искусству розыгрыша.

После того, как команда Орвилла победила атаку криля на совершенно новую колонию, Союз отправляет Эда и Гордона на опасную тайную миссию, чтобы проникнуть на корабль криля и получить копию Библии криля, «Анкана», чтобы лучше понять врага.

Когда два антрополога Союза пропадают без вести на планете, похожей на Землю 21-го века, Эд посылает команду во главе с Келли, чтобы найти их, но миссия быстро срывается, когда они понимают, что правительство общества полностью основано на системе общественного голосования для определения наказания.

Эд и команда намеревались спасти доктора Финна, двух ее сыновей и Исаака после того, как их шаттл был брошен в неизведанный космос, и они приземлились на Луне, которая находится в световых годах от Орвилла.

«Орвилл» призван выступить посредником в мирном договоре между двумя враждующими культурами, но напряжение между Эдом и Келли становится еще выше, когда на корабль садится знакомое лицо. Тем временем Яфит признается в любви доктору Финну с удивительными результатами.

Алара начинает сомневаться в собственной профессиональной пригодности после пожара на корабле. В огне погибает один из членов экипажа, и девушка чувствует свою вину за это. А вскоре на корабле и вовсе начинают происходить загадочные явления.

Келли обнаруживает, что лейтенант Джон Ламарр умнее, чем он показывает. Таким образом, она подталкивает Эда рассматривать его на ключевой руководящей должности на корабле после того, как Орвилл был поврежден таинственной пространственной аномалией, вызвавшей мучительные последствия для всего живого.

Эд и Келли серьезно пересматривают возможность воссоединения. Однако, пока Келли выполняет миссию с Исааком и Гордоном, чтобы исследовать происхождение неизведанной звезды, они внезапно приземляются на планете из другой вселенной. Затем Келли принимает решение с непредвиденными долгосрочными последствиями для планеты, ставя Эда в затруднительное положение.

«Орвилл» направляется на ежегодную церемонию на планете Моклус. Келли начинает отношения с Кассиусом, предпочтя его капитану. Проделки Маркуса и Джеймса не проходят незамеченными для взрослых. Китан отправляется на свидание вслепую.

Команда корабля наблюдает гибель планеты и пытается спасти горсточку ее жителей. Бортус и Клайден выясняют отношения после случая с их ребенком. Системы корабля поражает опасный вирус.

Алара сталкивается с проблемами здоровья из-за долгого пребывания на корабле. По совету врача она отправляется на родную планету, чтобы побыть с семьей и восстановиться. Там она сталкивается с недоброжелателями своего отца.

Капитан Мёрсер и лейтенант Тайлер решают обнародовать свои романтические отношения и отправиться в небольшое путешествие. Однако на пути их шаттл захватывают, и происходит много неожиданностей для Эда. Пока двое терпят бедствие, на корабле определяется заместитель капитана.

Команда получает новый сигнал и входит в контакт с цивилизацией, не достигшей уровня покорения космоса. Аборигены приветствуют их, но двое из членов команды оказываются неугодными из-за местных суеверий. Узнав о первопричине такого отношения, Джон предпринимает попытку спасения своих людей.

Клэр просит Айзека помочь с ее бумажной работой, в то время как Бортус отвлекает ее своими идеями об изменении внешности. Команда отправляется на сольный концерт Ти, после которого Клэр начинает испытывать теплые чувства к Айзеку. Несмотря на трудности взаимопонимания и предупреждения Келли, Клэр решает пригласить его на свидание. Такой встрече не суждено пройти гладко...

Келли расстается с Кассиусом, в то время как у Орвилла есть свои дефлекторы, модернизированные инженером Мокланом, который раньше был парнем Бортуса.

Когда Айзек теряет сознание и становится неактивен, «Орвилл» направляется на его родную планету, где его родичи сообщают, что отключение произошло из-за окончания миссии Айзека на корабле. Пока команда прощается с коллегой, Мёрсер и Грейсон пытаются уговорить местных жителей присоединиться к космической общественности. Но случайное открытие полностью переворачивает их представление о будущем союзе...

Огромный флот роботов приближается к Земле и собирается уничтожить все живое на ней. Запертые на эвакуационной палубе члены команды Орвилла находят способ сбежать, чтобы отправить экстренное сообщение на Землю и обратиться за помощью к другой расе. Предстоит великая битва между живыми и роботами – кто же победит?

Команда корабля готовится к переговорам с криллами, когда на посадочную платформу «Орвилла» падает спасательная капсула с корабля криллов. В беглецах быстро опознают старых знакомых Гордона, но зачем они объявились на корабле именно сейчас? Гордон пытается им помочь, но вынужден срочно предотвращать последствия, когда вскрываются истинные планы гостей.

Команда открывает капсулу времени из 2015 года, и обнаруживает среди вещей мобильный телефон молодой девушки. Компьютер корабля создает симуляцию жизни прошлого, и Гордон влюбляется в голос владелицы смартфона – у девушки настоящий талант к пению. Его чувства к симуляции заходят так далеко, что Гордон решает повлиять на программу и перестроить ее по своему желанию. Остальные члены команды исследуют другие находки.

После ремонта «Орвилл» подбирает на Моклусе инженера Торена и его компаньона Корика. Довольно быстро Бортус обнаруживает с ними «пассажира-зайца», а капитан Мерсер решает проверить их легенду. Они отправляются в женскую колонию Мокланов, где их ждет интересное открытие об этой расе. Команде предстоит разрешить многовековой спор.

Келли и Эд вспоминают свое самое первое свидание. Несчастный случай с машиной времени Айзека приводит на корабль версию Келли на семь лет моложе. Пока ЛаМарр ищет способ вернуть ее в правильное время, лейтенант Грэйсон пытается адаптироваться в новых условиях. Старшей версии Келли не нравится успех молодой девушки среди членов команды.

Экипаж должен бороться с катастрофическими последствиями после решения Келли.