Ordoño I sucedió a su padre Ramiro I al frente del reino de Asturias a la muerte de éste, ocurrida el primero de febrero de 850. Tras el agitado y turbulento reinado de su predecesor, el de Ordoño transcurrió con una aceptable tranquilidad interior. La «Crónica de Alfonso III» dice que «fue hombre de gran paciencia y moderación» y muy amado por su pueblo. La «Albeldense» también resalta su «benevolencia de ánimo, y capacidad de misericordia», hasta el punto de que «fue digno de que se le llamara "padre del pueblo"».

Su reinado fue un continuo batallar contra el Islam, no siempre con resultado victorioso, aunque el balance resulte positivo, al conseguir extender ampliamente las anteriores fronteras del reino. Nada más acceder al trono tuvo que someter una rebelión de los vascones. Ésta debe interpretarse como el postrer coletazo de las guerras civiles que enfrentaron a su padre Ramiro con Nepociano, al que habían apoyado tanto astures como vascones. Ordoño armó un fuerte ejército y se dirigió a territorio vascón, al que sometió a «su ley», según expresa el cronista autor de la «Sebastianense». En ese mismo tiempo, finales de la primavera o verano ya de 850, cuando regresaba de la expedición vascona, fue informado Ordoño I de la presencia de un ejército árabe en tierras de Álava. El rey astur salió a su encuentro y los puso en fuga.

Una novedad durante su reinado fue el establecimiento de relaciones con los mozárabes, es decir, los cristianos que se encontraban en tierras bajo control musulmán. Toledo, la antigua capital del reino visigodo, se había mostrado rebelde en varias ocasiones frente a la dominación musulmana y sus habitantes protagonizaron duros y prolongados enfrentamientos con el emir cordobés. Uno de estos episodios se produjo en 852, aprovechando la muerte de Abd al-Rahman II y la sucesión en el emirato por su hijo Muhammad I. La revuelta alcanzó gran magnitud y los toledanos llegaron a derrotar a un ejército enviado por el emir, antes de que llegara a salir de Andalucía. Ante la amplitud que alcanzaba la rebelión, en el mes de junio de 854, el emir Muhammad preparó un gran ejército y él mismo se puso al frente de las tropas. La noticia de esta campaña pronto llegó a oídos de los toledanos y éstos pidieron auxilio al rey de Asturias, Ordoño I. Éste atendió su demanda y envió un poderoso ejército en su ayuda, al frente del cual marchó el conde Gatón, hermano o cuñado del mismo rey Ordoño I. El emir cordobés actuó con gran astucia e hizo caer a los toledanos y a las tropas de Gatón en una emboscada, junto al río Guadacelete, causándoles una gran derrota. El número de bajas fue enorme, aunque entre ellas no se contó el conde Gatón. A pesar de ello, la oposición mozárabe contra las autoridades cordobesas, que hasta entonces sólo se había manifestado en el estricto campo religioso, con episodios tan llamativos como los protagonizados por los llamados «mártires de Córdoba», en la década de 850, comienza a tener en el reino cristiano de Asturias un punto de referencia, y se inicia un importante flujo migratorio hacia el Norte, donde colaboraron en las tareas de repoblación. Así lo dice expresamente la «Rotense» al hablar de la repoblación de las ciudades de León, Astorga, Tuy y Amaya Patricia, «de antiguo abandonadas», a las que Ordoño «llenó de gentes, en parte de las suyas, en parte de las llegadas de España». Y esa España, en las crónicas de ese período, era el territorio bajo dominio musulmán.

La rebelión toledana tuvo ocupado al emir Muhammad, que, pese a que en 855 envió una aceifa contra territorio de Álava y Castilla, no pudo continuar hostigando al reino de Asturias, centrando su actividad bélica sobre la rebelde Toledo en los años siguientes. Tal coyuntura permitió a Ordoño I dar importantes pasos en su avance hacia el Sur e incorporar a su reino las ciudades de Astorga y León, primero, y las de Tuy y Amaya, posteriormente. Astorga fue la primera en ser repoblada, por el conde Gatón, con habitantes del Bierzo, en 854. León fue poblada por el propio rey Ordoño en el año 856, según recogen los «Anales Castellanos Primeros». Los mismos «Anales» informan que Amaya fue poblada por el conde Rodrigo en el año 860, por orden del rey Ordoño. Amaya había sido una poderosa fortaleza visigoda en el Norte, situada ya en la vertiente sur de la cordillera Cantábrica, y controlaba el acceso a Cantabria y el alto valle del Pisuerga. De Tuy se desconoce la fecha de su repoblación, pero también había sido una ciudad importante en la Galicia de época visigoda.

Aparte de las cuatro ciudades citadas, la «Crónica Albeldense» afirma que «fortificó muchas otras plazas». Esta política de avance de sus fronteras fue combinada con resonantes victorias. Las crónicas asturianas dan gran importancia y realce a la victoria lograda por Ordoño I sobre Muza, en Albelda-Monte Laturce (La Rioja), en 859. Este Muza, de la familia de los Banu Qasi, como las propias crónicas asturianas explican, era godo de nacimiento, pero convertido al Islam, es decir, un muladí. Descendientes de un conde llamado Casius, los Beni Casi o Banu Qasi gobernaban la Frontera Superior de Al-Andalus. Estaban, por otra parte, emparentados por lazos matrimoniales con los reyes de Pamplona. Desde 842, los Banu Qasi rompieron su dependencia de Córdoba y acabaron por hacerse dueños de la llamada Frontera o Marca Superior, alternando períodos de colaboración con las autoridades cordobesas con otros de abierta rebeldía. Esta situación, según la «Crónica de Alfonso III», «hinchó tanto de soberbia» a Muza ibn Muza que se hacía llamar «el tercer rey de España».

Tras la victoria de Monte Laturce se produjo la repoblación de Amaya y en el mismo año, 860, el mismo conde Rodrigo atacó Talamanca (Talamanca del Jarama, en la provincia de Madrid), según cuentan los «Anales Castellanos Primeros». Parejo a este ataque debió de efectuarse otra incursión de Ordoño I sobre Coria (Cáceres), según el relato de la «Crónica de Alfonso III». Ambas ciudades se encuentran al sur de la cordillera Central, en pleno territorio bajo dominio musulmán, y la incursión sobre ellas significaba castigar al rival en su mismo terreno. Además, debieron de reportar un importante botín, según la «Crónica de Alfonso III», que da cuenta de que los prisioneros fueron vendidos en subasta.

No tardó en reaccionar, sin embargo, el emir cordobés Muhammad, que en 863 y 865 emprendió sendas campañas por tierras del Ebro y la Bureba que provocaron la derrota cristiana en la Hoz de Morcuera o en el desfiladero de Pancorbo, deteniendo momentáneamente el avance cristiano. En la jornada de 863, cuenta Ibn al-Athir que las tropas musulmanas lograron una victoria sonada, perdiendo los cristianos, a los que mandaba un hermano de Ordoño, la cifra de diecinueve condes. El silencio de las crónicas asturianas sobre esta batalla puede ser bien elocuente en ese sentido.

Tuvo que hacer frente también el rey Ordoño I a otra incursión de los normandos. El códice de Roda anota: «De nuevo vinieron (los normandos) después en el mes de julio de la era 896 (año 858)». La «Crónica Albeldense» amplía algo más la información: «En su tiempo (se refiere al reinado de Ordoño I) los normandos, que vinieron por segunda vez, fueron exterminados en la costa de Galicia por el conde Pedro. Los moros que venían en naves fueron vencidos en el mar de Galicia». También el «Cronicón Iriense» da noticia de la irrupción de los normandos en Galicia, precisando que eran «cien naves» y que regresaron a su tierra al cabo de tres años.

«Terminado el decimosexto año de su reinado, víctima de la enfermedad de la podagra, murió en Oviedo, y fue sepultado en la basílica de Santa María junto con los anteriores reyes. Felices tiempos tuvo su reinado, feliz está en el cielo», concluye el relato de su reinado la versión «Rotense» de la «Crónica de Alfonso III». Dejaba a su hijo un reino ampliamente extendido, en el que todavía no estaban definitivamente superadas las tensiones internas y las ambiciones de algunos nobles. Durante su reinado se debió de construir la iglesia de Santa Cristina de Lena, que sigue el estilo de los edificios ramirenses del Naranco, pero parece algo posterior.