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.

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.