Il a une sœur, Samantha, née en 1975.

Jusqu'à l'âge de 13 ans, Bloom pensait que son père était le mari de sa mère, l'écrivain Harry Bloom, mais 9 ans après le décès de ce dernier, sa mère lui a révélé que son père biologique était en fait Colin Stone, un ami proche de la famille. Orlando Bloom est dyslexique. À 14 ans, il passe sa première audition pour un film. Il quitte le lycée en 1993, à 16 ans, et il emménage à Londres pour rejoindre le théâtre national de la jeunesse. Il passe deux ans au National Youth Theatre avant d'obtenir une bourse pour la British American Drama Academy.

En 1998, à l'âge de 21 ans, Orlando a un accident qui l'immobilise.(Étant chez des amis, Orlando "escalade" une gouttière et chute du troisième étage sur des plaques de métal, sa colonne vertébrale est brisée.) Cela menace de le laisser paralysé à vie et donc de vivre dans un fauteuil roulant. Mais les médecins lui apprennent qu'ils peuvent tenter une opération à gros risques, Orlando accepte et après des années de rééducation et de volonté, il réussit à marcher normalement, gardant tout de même une grande cicatrice dans le dos.

Il décide de parfaire sa formation de comédien à la Guildhall School of Music and Drama de Londres. Au cours de ces trois années d'études, il se consacre uniquement au théâtre, jouant notamment dans les classiques La Mouette, Antigone et Mephisto.

Il pratique le bouddhisme de Nichiren dans la Soka Gakkai