Az addig leginkább angol színpadi színészként ismert Holm hollywoodi áttörését az 1979-es, Ridley Scott rendezte A nyolcadik utas: a Halál egyik fontos mellékszerepe jelentette: ő volt Ash, az android.
Filmes pályája legfontosabb elismerése egy Oscar-jelölés a legjobb férfi mellékszereplőnek a Tűzszekerek című 1981-es klasszikusért. Ezért a filmért, valamint az 1968-as The Bofors Gun mellékszerepéért kapott egy-egy BAFTA-díjat is.
2001-ben formálta meg először Zsákos Bilbó karakterét A Gyűrűk Ura: A Gyűrű Szövetsége című filmben.
Szerepelt még Jonathan Pryce és Robert De Niro oldalán Terry Gilliam Brazil című filmjében, Woody Allen az Egy másik asszony alkalmával rendezte, de játszott Franco Zeffirellinél (Hamlet), David Cronenbergnél (Meztelen ebéd, eXistenZ – Az élet játék), Luc Bessonnál (Az ötödik elem) és Martin Scorsese Aviátor-jában is.
Utolsó filmszerepét A hobbit: Az öt sereg csatája című 2014-es filmben játszotta el, ezúttal is Bilbót formálta meg.