Allerede som ung universitetsstipendiat var Ørjan Olsen viden kjent for sin forskning, sine reiser og innsamlinger til universitet og museer. I 1930-årene var han en av Norges mest berømte vitenskapsmenn i utlandet, men han ble aldri fullt ut anerkjent i hjemlandet, og hans vitenskapelige innsats er i dag stort sett glemt.
Interessen for zoologi hadde han fra unge år i Hattfjelldal, hvor han tydelig var inspirert av farens evne til iakttakelse, innsamling og formidling gjennom skrift og fotografi. Etter en omtumlet skolegang tok han examen artium 1907 og begynte å studere realfag ved universitetet i Kristiania. Han ble cand.real. 1911 med fagene zoologi, botanikk, kjemi, geologi og geografi, men studerte også arkeologi, etnografi og russisk. I tillegg behersket han tysk, engelsk, fransk, spansk og latin.
Olsen begynte tidlig å reise, først i Norge, Norden og på Kola, senere nedover Europa og til fjerne kontinenter. Reisene ble finansiert ved stipend eller ved støtte fra forretningsforetak og offentlige institusjoner for innsamling av vitenskapelig materiale. Opplevelsene ble skildret i form av reisebrev til de store avisene, som artikler og bøker og ikke minst som populære foredrag som gikk for fulle hus.
Allerede i studietiden unnfanget Olsen ideen om en forskningsreise til Sibir og søkte om statsstøtte til prosjektet. Hele den naturvitenskapelige eliten støttet ideen, og Olsen ble fremhevet som en person med sterk energi, fordringsløs natur, god helbred og gode kunnskaper – en absolutt skikket leder for en slik ekspedisjon. Statsbidraget lot imidlertid vente på seg, og i mellomtiden ble han 1912–13 med den norske hvalfangstpioneren Johan Bryde til Sør-Afrika, hvor han oppdaget en ny hvalart, brydehval (Balaenoptera brydei), som han beskrev vitenskapelig. I tillegg foretok han studier av nordlige trekkfugler i Sør-Afrika og samlet inn et stort utvalg mineralprøver til geologiske museer. 1915 tok Olsen opp arbeidet med å få reist et hvalmuseum i tilknytning til universitetets naturhistoriske museer på Tøyen og skaffet til veie betydelige private midler til prosjektet, men ideen ble kraftig motarbeidet av bl.a. zoologmiljøet ved Bergens Museum, og planen ble aldri realisert.
Fra 1914 var Olsen universitetsstipendiat, og samme år ble det mulig å gjennomføre ekspedisjonen til Sibir. Sammen med tre andre nordmenn og en russer gjorde Olsen et imponerende forsknings- og innsamlingsarbeid. Mest oppsikt vakte studiene av et til da ukjent folk, todsjin-sojotene (en undergruppe tuviner), som bodde i grensetraktene mellom Sibir og Mongolia. Man trodde denne finsk-ugriske gruppen kunne gi viktige opplysninger om samenes opprinnelse.
Ekspedisjonen ble avbrutt på grunn av den første verdenskrig, men Ørjan Olsen drog tilbake både 1916 og 1917 for å drive forretning og som kurer for norske interesser. Han var i St. Petersburg under begge revolusjonene 1917, og 1920 drog han som kurer til Japan for å oppsøke lederen for “de hvite” (kontrarevolusjonære) i Øst-Sibir, men før han nådde frem, var borgerkrigen over.
Reisen fortsatte som verdensomseiling. Nesten hele 1921 ble brukt til studier i Sør- og Øst-Europa, og under et opphold ved universitetet i Innsbruck i Østerrike ble Olsen kreert til dr.philos. i zoologi og geografi. Professorkollegiet uttrykte forbauselse over hans allsidige viten. Slik var det ikke hjemme i Norge. Her søkte han flere stillinger, men følte seg forbigått. Han underviste studenter og arbeidet ellers med tilrettelegging av avdøde professor Robert Colletts fuglemateriale. Bokverket Norges fugle ble utgitt i Colletts ånd av Ørjan Olsen 1921. Det ble godt mottatt av det litterære Norge, men skapte en voldsom vitenskapsdebatt, som raste et helt år. Hans største motstander var ornitologen Hans T. L. Schaanning, og det haglet med beskyldninger om plagiat begge veier.
Midt opp i dette fikk Ørjan Olsen tilbud om å lede et marinbiologisk institutt i Alexandria i Egypt, og han reiste fra hele striden. Etter dette prøvde han aldri å få stilling i Norge, men flyttet til Paris og Nice, hvor han skrev et seksbinds verk om de store oppdagelser. Det kom også ut i Frankrike, og i slutten av 1930-årene ble det forberedt utgivelse både i Sverige og i Spania.
Den neste vitenskapsreisen gikk til Polynesia og New Zealand 1926–28, hvor Olsen gjorde et gigantisk innsamlingsarbeid. Han fant mange likheter mellom urbefolkningen i disse områdene og nordlige folkegrupper i Sibir, men også med indianerstammer i Sør-Amerika. I bøker, skrifter og foredrag belyste han teoriene om innvandring og om Påskeøyas hemmelighet, og han var på en måte en forløper for Thor Heyerdahl.
Da krigen kom til Norge 1940, tok Olsen seg gjennom Sverige og Finland til Petsamo og derfra videre til USA, hvor han i mange år oppholdt seg ved de store bibliotekene og skrev store verk om oppdagelsesreisenes historie og om Nordens rolle i verdenshistorien. Tiden hadde gått fra ham, og verkene ble ikke utgitt. I 1950-årene flyttet han tilbake til Europa og bosatte seg i Spania. Minst annen hver sommer var han i Norge, hvor han tok del i samfunnsdebatten gjennom bl.a. avisinnlegg. Etter hvert fremstod han mer som en erkekonservativ og reaksjonær gammel einstøing, som kritiserte alt fra bilkjøring til “forpøbling” av det norske språk. Han døde i Alicante 1972 og er gravlagt på Vestre gravlund i Oslo.