אורלי לואיס החלה להתעניין בהיסטוריה של הרפואה דרך נושא המגפות. עוד בלימודיה לתואר הראשון הוביל אותה קורס אודות מגפות בהיסטוריה להתעמק בכתבי הרפואה העתיקים. היא הסתקרנה מהעושר הרעיוני בכתבים הללו במגוון תחומים: תנועת הדם, אוויר ומזון בגוף, טבעם של תהליכים מחלתיים, וההשפעה של טיפולים שונים על כל אלו.

לאחר השלמת התואר הראשון והשני באוניברסיטת תל אביב אורלי שהתה שש שנים במכון ללימודים קלאסיים באוניברסיטת הומבולדט בברלין, שם השלימה כתיבת עבודת דוקטור והשתלמות בתר דוקטורט במסגרת קבוצות מחקר שעוסקות ברפואה ובפילוסופיה בעולם העתיק. היא חזרה לישראל והמשיכה במחקרה כעמיתה בתוכנית מרטין בובר במדעי הרוח והחברה באוניברסיטה העברית.

המחקר של אורלי מתמקד ברעיונות העתיקים על אנטומיה, פיזיולוגיה ודיאגנוסטיקה, ובקשר בין תחומי הרפואה הללו. היא מבקשת להבין כיצד אנשי העבר חקרו והסבירו את הטבע, ובעיקר את הגוף החי. אורלי חוקרת לא רק את הידע עצמו אלא גם מדוע הידע משתנה וכיצד נוצרים רעיונות מדעיים חדשים. בהקשר זה היא בוחנת כיצד תאוריה, מחקר אמפירי ועשייה קלינית הזינו זה את זה והובילו להסברים שונים של הגוף החי ושל מחלות והטיפול בהן.

אחד מנושאי המחקר העיקריים שלה הוא התורה והפרקטיקה לאבחון באמצעות הדופק ביוון ורומא. היא ממפה ומפרשת את האופן שבו סיווגו הרופאים העתיקים את הדופק (לדוגמה, לפי מדדים של גודל, מלאות וריקנות, קשיחות העורקים ועוד). כמו כן היא בוחנת כיצד סיווגים אלו השתנו לאור רעיונות חדשים על גוף ונפש, וכיצד ישמו הרופאים את תורת הדופק בעת אבחון חולים. ספרה, שעוסק בראשית המחקר על מערכת כלי הדם והנשימה ביוון העתיקה, זכה בפרס האקדמיה הבין לאומית להיסטוריה של המדע.

אורלי מתמקדת גם ברעיונות האנטומים בעת העתיקה. הידע האנטומי בעת ההיא היה בתהליך התעצבות, כך שכל רופא תיאר את מבנה הגוף וחלקיו באופן שונה מעמיתיו וכתוצאה מכך, במקום תורה אנטומית אחת היו למעשה אנטומיות רבות ומגוונות.

בשנים האחרונות אורלי מקדמת שיח ושיתוף פעולה פורה וייחודי עם חוקרים מתחומי הרפואה בארץ ובחו"ל ופיתחה שיטה לשחזור הממצאים המדעיים שעליהם התבססו הרופאים העתיקים. הודות למימון נדיב ממועצת המחקר האירופאית (ERC) היא הקימה קבוצת מחקר שמתחילה כעת ליישם באופן שיטתי ונרחב את המודל הבין תחומי והחדשני הזה. הקבוצה כוללת היסטוריונים וקלסיקאים כמו גם מומחי אנטומיה מודרנית מבית הספר לווטרינריה ומהפקולטה לרפואה באוניברסיטה העברית, ומומחים בתחום הדיגיטל. יחד הם מנתחים מזוויות שונות את הכתבים, משחזרים באופן מעשי את הידע שתועד בהם ומפתחים אטלס דיגיטלי אינטראקטיבי, שיציג את האנטומיות השונות בתלת-ממד ויציע כלי ניתוח ומחקר מתקדמים.

מחקרו הנוכחי עוסק באופן שבו תכנים תיאולוגיים שהולאמו בתרבות העברית והישראלית חדרו והכתימו את הנרטיבים המוזיקליים של מלחינים בישראל במחצית השנייה של המאה העשרים. לכאורה מדובר בתמהיל מוכר של פוליטיקה ותיאולוגיה, אולם מנעד היצירות שנכתבות במחצית השנייה של המאה העשרים בישראל תיעד הלכה למעשה את דהייתה של התרבות העברית ושיבתה לקנבס הרחב של תרבות יהודית מודרנית. בעוד שיבה מעין זו במעגלים פוליטיים מקומיים הייתה כרוכה בטריטוריאליזם (שבהדרגה קיבל צביון משיחי), השיבות הדיאליקטית לתרבויות גלותיות יהודיות מאירופה, מצפון אפריקה ומהמזרח הקרובה התנתקו מכל מאפיין טריטוריאלי לטובת המרכיבים התרבותיים שהודחקו בשיח על העבריות, לרבות האתניזציה של הזהות האשכזנית. בראשית המאה העשרים ואחת הפניות לתרבויות גלותיות יהודיות תהפוכנה למסס רב קולי שאוצר המילים המוזיקלי-סמיוטי שלו יבשרו על קריסתה של פוליטיקת הזהויות היהודית-ישראלית.

מחקר זה הוא המשך לספרו הקודם של שלג (Jewish Contiguities and the Soundtrack of Israeli History, Oxford University Press, 2014) שזכה בפרס אנגל לחקר המוסיקה העברית לשנת 2015, ובפרס שניצר מטעם האיגוד האמריקאי למדעי היהדות (AJS) לשנת 2016.