Holtsmark blev filosofie doktor i Oslo 1918, professor i fysik vid Tekniska högskolan i Trondheim 1923. Holtmarks undersökningar omfattade framför allt problem inom strålningsfysiken. Bland dessa märks teoretiska arbeten kring Ramsauereffekten, över absorptionslinjernas breddökning vid växande gastryck och över långsamam elektroners spridning samt experiementella arbeten över den karakteristiska röntgenstrålningen från de lätta grundämnena.
