Léon Orbeli est un physiologiste arménien.
Il étudie à l'Académie médicale militaire impériale de Saint Pétersbourg, obtenant son doctorat en 1904.
Il travaille d'abord comme assistant dans le laboratoire d'Ivan Petrovich Pavlov (1849-1936). De 1918 à 1946, il dirige le département de physiologie de l'Institut d'Etat de recherche scientifique P. F. Lesgaft à Koltushi. Il est professeur de physiologie au First Leningrad Medical Institute de 1920 à 1931, et professeur de physiologie à l'Académie médicale militaire de 1925 à 1950, dont il est le directeur durant les sept dernières années. Il est nommé directeur de l'Institut Pavlov à la mort de ce dernier en 1936.
Considéré comme un des scientifiques les plus important de son temps en U.R.S.S., il joue un rôle essentiel dans le développement de la physiologie évolutive.
Il est élu associé étranger de l'Académie de médecine le 11 décembre 1945.