Holzmeister nacque nel villaggio di Fulpmes nel land tirolese dell'Austria. Si sposò con Judith Bridarolli nel 1913 a Innsbruck. Nel 1914 nacque a Vienna il figlio Guido. Frequentò l'Università tecnica di Vienna e conseguì un dottorato in architettura nel 1919. Sua figlia Judith Holzmeister nacque a Innsbruck nel 1920. Dopo aver presentato e vinto un progetto, nel 1924 divenne capo del dipartimento di architettura dell'Accademia di belle arti austriaca. Nel 1926 curò la ristrutturazione del Festival Theatre di Salisburgo, e trascorse quindi alcuni anni erigendo diversi edifici governativi ad Ankara, in Turchia.
Nel 1931 Holzmeister divenne Direttore dell'Accademia austriaca di belle arti. Oltre ai progetti di costruzione in Austria, Germania e Turchia, rimase Direttore dell'Accademia fino a quando non fu rimosso da questo incarico durante l'Anschluss dal nuovo governo tedesco nel 1938. Sebbene i suoi uffici, giornali e pubblicazioni fossero stati sequestrati dai nazisti, ebbe la fortuna di essere in quel momento in Turchia per un altro incarico durante il quale progettò l'edificio del Parlamento turco (1938) e numerosi altri edifici statali. Rimase in Turchia fino al 1954, e tornò poi in Austria, dove i suoi incarichi degli anni '50 includono il Großes Festspielhaus.
Il suo corpus di opere comprende un gran numero di edifici pubblici e semi-pubblici e chiese. Sviluppò una nuova interpretazione delle tradizioni costruttive locali tra semplicità ed espressività. Costruì anche monumenti e scenografie.
Holzmeister lavorò più volte come scenografo a partire dagli anni '30 in collaborazione con Max Reinhardt per il quale creò la Faust-City per il Festival di Salisburgo. Negli anni '50 Holzmeister tornò alla scenografia e lavorò nuovamente per il Festival di Salisburgo (Don Giovanni), nonché per la Wiener Staatso (Fidelio, 1955, per l'inaugurazione della rinnovata Opera Statale) e per il Burgtheater. Le scenografie di Holzmeister rispettavano sempre i requisiti delle produzioni teatrali, ma senza mai nascondere il background architettonico del suo creatore.
È sepolto nel cimitero di San Pietro a Salisburgo.