Анатолий Иванович Орфёнов родился 17 (30) октября 1908 года в семье священника в селе Сушки. В семье было восемь детей. Пели все, но только Анатолий стал профессиональным певцом.
Отец семейства умер в 1920 году, и при новой власти дети служителя культа не могли рассчитывать на высшее образование. В 1928 году приехал в Москву и поступил сразу в два техникума — педагогический и вечерний музыкальный (ныне Государственный музыкально-педагогический институт имени М.М.ипполитова-Иванова).
В 1933 году он попадает в хор Оперного театра-студии под руководством К. С. Станиславского. Через год стал солистом этого театра.
В 1954—1959 годах был художественным руководителем вокальной группы Всесоюзного радио.
С 1950 года вёл большую преподавательскую работу — доцентМузыкально-педагогического института имени Гнесиных (1950—1971), педагог ГАБТ (1963—1969), Каирской консервотории (1971—1973) и Братиславской консервотории (1974—1980).
В 1985 году он ушёл на покой по болезни.
Умер 6 марта 1987 года. Похоронен в Москве на Ваганьковском кладбище.
Заслуженный артист РСФСР (1941).
Лауреат Сталиснкой премии 2 степени (1947).