Francisco de Orellana ein Verwandter der Pizarros, wurde in Trujillo, Estremadura geboren. Er erreichte offenbar als Teenager die Neue Welt und nahm an der Eroberung Perus durch Pizarro teil, wo er im Kampf ein Auge verlor. 1538 kämpfte er unter Hernando Pizarro in der Schlacht von Las Salinas, wo Hernando Diego de Almagro gefangen nahm, den er hinrichtete. Orellana ging als nächstes nach Norden und gründete Guayaquil Ende 1538 oder Anfang 1539.
Er war nun unmittelbar seinem Verwandten Gonzalo Pizarro, dem Gouverneur von Quito, unterstellt. Gonzalo hatte von seinem Bruder Francisco den Befehl, die gemeldeten Zimtwälder östlich der Anden zu suchen, und Orellana ging 1541 als zweiter Befehlshaber der großen Expedition. Die Entdecker marschierten in guter Ordnung, bis sie den Napo River erreichten, einen Nebenfluss des Amazonas, wo das Essen knapp wurde. Orellana meldete sich entweder freiwillig oder wurde von Pizarro angewiesen, mit einem hastig gebauten Boot und etwa 60 Männern weiter den Fluss hinunter zu fahren, um Essen von einem Ort zurückzubringen, an dem freundliche Indianer berichteten, dass es reichlich vorhanden sei. Orellana bezog Nahrung und beschloss dann, ob durch seine eigene Entscheidung oder durch Untergebene gezwungen, dem Hauptamazonas, der jetzt in der Nähe ist, zum Atlantik zu folgen. Niemand hatte den Fluss zuvor überquert, aber seine Größe überzeugte die Spanier, dass er am Meer auftauchen musste. Kontroverse ist seit langem über Orellanas Schuld gegangen, aber das allgemeine Urteil ist, dass er beabsichtigt hatte, von der Zeit des Verlassens Gonzalo zu verlassen.
Die Abenteurer fuhren zur Amazonasmündung und dann zur spanischen Insel Cubagua, die sie Anfang September 1542 erreichten. Viele von ihnen gingen dann nach Peru, aber Orellana reiste über Trinidad, Santo Domingo und Portugal nach Spanien.
Während ihres Abstiegs durch den Amazonas wurden die Spanier von Orellana häufig von Indianern angegriffen, und in einer Region kämpften Frauen und übertrafen Männer an Tapferkeit. Gaspar de Carvajal, Kaplan der Expedition, beschreibt die Frauen als sehr weiß und groß und kämpfen so viel wie 10 indische Männer. Diese gewaltige Stärke erinnerte an die Amazonen der griechischen Mythologie, und die Spanier gaben ihrem Land diesen Namen; erst danach wurde „Amazon“ allmählich auf den Fluss angewendet.
In Spanien suchte und erhielt Orellana eine Konzession, um Neu-Andalusien zu erkunden und zu regieren, was ungefähr das Land südlich des großen Flusses bedeutet. Er segelte von Sanlúcar am 11. Mai 1545 mit einer schlecht ausgerüsteten Flotte und in Begleitung seiner Frau Ana de Ayala, die er in Spanien geheiratet hatte. Aber Orellana starb an Krankheit und Müdigkeit über November 1546, und die Flotte ging in Stücke. Einige Überlebende, darunter Ana, wurden später auf der Insel Margarita gerettet.