Wilhelm Holtz war ein Sohn des Rittergutsbesitzers in Saatel, der das dortige Herrenhaus besaß. Er studierte Physik und Naturwissenschaften in Berlin, Dijon und Edinburgh und beschäftigte sich vor allem mit Experimenten zur Elektrizitätslehre.

Holtz erfand 1865 eine nach ihm benannte Elektrisiermaschine sowie später die Ventil- und Doppeltrichterröhre als erste Gleichrichterröhre. Ein weiteres Thema war die Theorie und Praxis der Blitzableiter.

Ab 1869 wirkte Holtz an der Greifswalder Universität, wo er sich 1881 habilitierte und 1884 zum Professor berufen wurde. Er wurde 1906 Geheimer Regierungsrat, 1910 emeritiert und starb 1913 in Greifswald.