I sesongen 2009-10 varierte Holtby med å dels spille på ECHL-laget South Carolina Stingrays og dels AHL-laget Hershey Bears. Holtby ble tatt ut og deltok i den årlige ECHL All Star-match i 2010, og samme år vant Holtby sluttspillet i AHL (Calder Cup) med Hershey Bears.
Holtby debuterte i NHL for Washington Capitals 5. november 2010 hjemme i Verizon Center mot Boston Bruins, da han erstattet førstemålvakten Michal Neuvirth på stillingen 3-3 og med ti minutter igjen å spille. Holtby stoppet fire skudd fra Bruins, mens Capitals scoret to ganger slik at han fikk en seier i debuten.[5] Holtby var med fra start for første gang to dager senere mot Philadelphia Flyers, en kamp Capitals vant 3–2 i sudden death.[6] Holtby holdt ren bur for første gang i NHL 9. mars 2011 da han stoppet 22 skudd da Capitals vant 5-æ0 over Edmonton Oilers.[7]
Foran 2011-2012 sesongen var Holtby tiltenkt rollen som tredjemålvakt bak Tomas Vokoun og Michal Neuvirth, men etter at begge ble rammet av skader mot slutten av grunnspillet fikk Holtby sjansen som førstemålvakt. Han bidro til at Capitals slo ut den regjerende mesteren Boston Bruins i Conference kvartfinaler (åttedelsfinale) i Stanley Cup-sluttspillet 2012 med 4-3 i kamper.
I Stanley Cup-sluttspillet 2015 holdt han buret rent 4. mai 2015 mot New York Rangers. Capitals tapte senere serien 2–1 på sudden death i kamp 7 i Madison Square Garden. Han hadde imidlertid den beste målvaktstatistikken i dette sluttspillet, med 1.71 i gjennomsnittlig mål mot (GAA) og en redningsprosent på 94,4.[8]
