Nació como William Franklin Beedle Jr. en Illinois, el 17 de abril de 1918 en el seno de una familia acomodada. Su padre fue químico industrial y su madre profesora. Cuando Holden tenía tres años, la familia se trasladó a Psadena, California.

En 1937, mientras estaba aún en la universidad, Holden fue contratado por un estudio cinematográfico. Su primer papel, de carácter secundario, fue al año siguiente en Prision Farm y su primera interpretación como protagonista la realizó un año más tarde en Golden Boy, película en la que dio vida a un boxeador boxeador que desea ser violinista. Comenzó a tener éxito a su regreso de la Segunda Guerra Mundial cuando apareció en papeles en los que se combinaba su aspecto atractivo con su expresión cínica de desapego. Películas como El crepúsculo de los dioses (Sunset Boulevard, por la que consiguió su primera nominación al Óscar de Hollywood), Traidor en el infierno (Stalag 17, por la que ganó un Óscar al mejor actor principal en el año 1953), Picnic (donde su semidesnudo provocó todo un escándalo en Estados Unidos), o El puente sobre el río Kwai; fueron etapas importantes en su carrera y convirtieron a Holden en un actor popular entre el público y los profesionales de Hollywood. Con filmes como Nacida ayer (Born Yesterday) y Sabrina demostró que también era un buen actor de comedia.