הולמס נולד ב-1890 למשפחה מהמעמד הבינוני הנמוך באנגליה. אביו היה נגר ואמו עבדה כזבנית בחנות.[4] בהיותו כבן 17, החל ללמוד ב"מכללה המלכותית למדע" בלונדון, לאחר שעמד בבחינות לקבלת מלגה לאומית של 30 שילינג לשבוע (1.5 פאונד) במשך שנת הלימודים. הולמס סיים את לימודיו ב-1910 עם מוניטין של תלמיד מבריק אך עם נטל של חובות והתקבל למשרת גאולוג במוזמביק בשכר של 35 פאונד לחודש. התקף חמור של הקדחת השחורה עיכב את שובו לאי הבריטי והוא נדבק אף במלריה, דבר שמנע ממנו להצטרף לצבא במלחמת העולם ה-1. השיפור במצבו הכלכלי איפשר להולמס להצטרף לסגל המכללה האימפריאלית, לקבל תואר דוקטור ב-1917 ולהישאר בה עד 1920.[5] בהמשך הועסק בבורמה על ידי חברת נפט, וב-1924 חזר לבריטניה ומונה לפרופסור לגאולוגיה באוניברסיטת דרהם.
בעת לימודיו של הולמס, כבר פיתח האמריקאי, ברטרם בולטווד, טכניקה לתיארוך דגימות של סלעים על פי יחסי האיזוטופים של עופרת ואורניום שהם מכילים. מאחר שההתפרקות הרדיואקטיבית של אורניום, יוצרת בסופו של דבר עופרת, במהלך לוח זמנים אופייני, מדידת היחסים האלה עשויה לגלות את גיל הסלעים.
בעבודת הגמר שלו בשנת לימודיו האחרונה (1910), השתמש הולמס בטכניקה זו לתיארוך סלעים מהעידן הדבוני מנורווגיה והגיע למספר 370 מיליון שנה.[6] גילו של גוש סלע זה שודאי לא היה העתיק ביותר בקרום כדור הארץ, חרג בהרבה מסקאלת הזמנים של מערכת השמש על פי תאוריית קירור כדור הארץ. על פי התאוריה, אשר הוצעה על ידי לורד קלווין ב-1864, ללא אור שמש, לא יכול להיות הסבר מניח את הדעת להמצאות משקעים בפני השטח של כדור הארץ. החום משתחרר מהשמש רק כתוצאה מקריסתה הגרביטציונית ולכן גיל השמש אינו גדול מ-20 מיליון שנה. ב-1913 פרסם ארתור הולמס את חישוביו בספרו גיל כדור הארץ, בו העריך את גילם הסלעים העתיקים ביותר מהעידן הארכאיקוני כבני 1.6 מיליארד שנה.[7] עם זאת הוא נמנע מלבצע הערכה לגילו של כדור הארץ עצמו. עבר זמן רב עד שחושב הגיל בדייקנות, שכן אף על פי שעקרונות הטכניקה הרדיומטרית של האיזוטופים היו ידועים כבר ב-1910, נדרשו עוד כמה עשורים כדי לפתח את הטכנולוגיה הדרושה לעריכת המדידות בדייקנות הנדרשת. קידום המחקר על ידי הולמס בעשורים הבאים, זיכה אותו בכינוי "אבי הגיאוכרונולוגיה המודרנית".[8] עד 1927, הצליח הולמס לשפר את הערכת גיל כדור הארץ לכ-3 מיליארד שנה.[9] עד שנות ה-40 הספיק לבסס את הטכניקה הרדיואקטיבית, למדידת גילם של סלעים, ולפי חישוביו היה גיל כדור הארץ עצמו 100 ± 4,500 מיליון שנה (כ-4.5 מיליארד שנה בקירוב של 100 ± מיליון שנה).[10] הוא התבסס על מדידות איזוטופיאורניום שערך אלפרד נויר.[11] הערך שקיבל הולמס קרוב לערך הנוכחי המקובל: 0.05 ± 4.54 מיליארד שנה (109 × 4.54 שנים ± 1%).[12]
התעניינותו של הולמס בנדידת יבשות התעוררה הודות לאחד מעמיתיו במכללה האימפריאלית, ג'ון אוואנס, שקרא גרמנית ונעשה אחד מהחסידים המוקדמים לרעיונותיו של וגנר (לימים כתב את ההקדמה למהדורה האנגלית לספרו של וגנר). הולמס אמנם החל את דרכו כתומך השערת ההתכווצות, אך כיוון שהבין את הרדיואקטיביות ואת הפוטנציאל הגלום בה ליצירת חום בקרום כדור הארץ, הוא שינה את דעתו כעבור זמן קצר. את ההשראה לרעיון שמעבר חום קשור להיווצרות הרים ולנדידת היבשות קיבל בזמן שנושא זה נדון בנאום הנשיאותי של איי. גיי. בול בפני האגודה הגאולוגית (GA) בלונדון ב-1927. בדצמבר באותה שנה, הגיש הולמס לחברה הגאולוגית של אדינבורו, מאמר שאימץ רעיונות אלה. הוא טען אמנם כי היבשות אכן צפו על גבי חומר צפוף יותר, כפי שטען וגנר, אך הן לא נעו דרך הסימה. לשיטתו, החומר הצפוף הזה נע אט אט, בכוח זרמים שנוצרו על ידי החום במעטפת כדור הארץ(זרמי הערבול) ובקעו מסדקים בכמה מקומות, דוגמת הרכס המרכז-אטלנטי - רכס מרכז אוקייני, תת-ימי ברובו, המשתרע באוקיינוס האטלנטי ובאוקיינוס הקרח הצפוני. כוח זה הרחיק זו מזו את היבשות בשני צידי הסדק וגרם להתנגשותן בחלקים אחרים של כדור הארץ.
מלבד החימום הרדיואקטיבי, המרכיב החשוב ביותר במודל של הולמס היה זמן: סלע מוצק המחומם מלמטה יכול להימתח ולזרום כעין דבשה סמיכה מאוד אך רק לאט מאוד. הדבר תואם את הערכתו הכמותית לגילו העצום (יחסית להערכות קודמות) של כדור הארץ.
ב-1930 פיתח הולמס את הסברו לנדידת היבשות בפירוט ותיאר איך זרמי חום שפועלים בתוך כדור הארץ כתוצאה מהחום שנוצר על ידי התפרקות רדיואקטיבית, גרמו להיפרדותה של פנגיאה, בתחילה ל-2 מסות אדמה גדולות, גונדוואנאלנד בחצי הכדור הדרומי ולאוראסיה בצפוני, שאף הן נקרעו לחלקים ויצרו את תבנית היבשות והאיים הנוכחית בפני כדור הארץ. רעיונותיו של הולמס פורסמו בפרוטוקולים של החברה הגאולוגית של גלאזגו וכללו הערכה התואמת את המדידות העכשוויות שעל פיהן זרמי החום מניעים את היבשות בשיעור של 5 ס"מ לשנה בקירוב - די כדי ליצור את האגן האטלנטי מסדק בקרום במשך זמן של 100 מיליון שנה בקירוב.
ב-1944 הציג הולמס בפרק האחרון של ספר הלימוד הנפוץ שחיבר, עקרונות הגאולוגיה הפיזיקלית,[10] את המודל שלו לנדידה הכולל גם את התפשטות קרקעית הים.[13][14] הוא הציג בבירור את הטיעון שלו אך הצביע ביושר על הפגמים באופן הצגת הדברים של וגנר:[10]
וגנר ארגן אוסף מרשים של עובדות ודעות. כמה מן הראיות שלו היו משכנעות בלא ספק, אבל חלק גדול כל כך מדברי התימוכין שלו התבססו על ספוקלציה ועל טיעונים מיוחדים, ולפיכך עורר סערה של ביקורת עוינת. יתר על כן, רוב הגאולוגים לא ששו להודות באפשרות של נדידת היבשות, מפני שלשום תהליך טבעי מוכר לא הייתה כמדומה אפילו הזדמנות קלושה לגרום לכך...
ואף על פי כן, הדבר החשוב באמת אינו להפריך דעות מסוימות של וגנר, אלא להחליט על פי הראיות הרלוונטיות אם נדידת היבשות היא סוג אמיתי של תנועת האדמה.
ובסיום הפרק על נדידת היבשות, לאחר שטען כי הולכת חום היא הכוח המניע את התהליך, כתב הולמס:[10]
ואולם יש להכיר בבירור כי רעיונות ספקולטיביים טהורים מסוג זה, שהומצאו במיוחד כדי להלום את הדרישות, אין להם ערך מדעי עד שלא יקבלו תמיכה מראיות בלתי תלויות
