Nach schulischer Ausbildung in Leipzig, wo sein Vater Wilhelm Hölscher an der Nikolaikirche Pfarrer war, begann Hölscher ein Studium an der Universität Erlangen. Nach wenigen Semestern kehrte er jedoch nach Leipzig zurück und wechselte an die Universität Leipzig zurück, wo er 1900 sein Theologisches Examen ablegte. Zunächst ging er nach Berlin, um seine orientalistischen Studien fortzusetzen. Hölscher erlernte neben der hebräischen und syrischen Sprache noch Arabisch, Altäthiopisch, Akkadisch und Persisch. Nach seiner 1902 in Leipzig eingereichten Dissertation folgte ein Studienaufenthalt in Palästina. Er habilitierte sich 1905, 1912 wurde ihm der Professorentitel verliehen.
Das wissenschaftliche Werk Hölschers umfasst sowohl Arbeiten zur Literaturgeschichte des Alten Testaments, zur Religionsgeschichte des antiken Judentums sowie Werke zur hebräischen Metrik, aber auch zu Nikolaus von Kues.
Palästina in der persischer und hellenistischer Zeit. Eine historisch-geographische Untersuchung. 1903.
Die Quellen des Josephus für die Zeit vom Exil bis zum jüdischen Kriege. 1904.
Kanonisch oder apokryph. Ein Kapitel aus der Geschichte des alttestamentlichen Kanons. 1905.
Der Sadduzäismus. Eine kritische Untersuchung zur späteren jüdischen Religionsgeschichte. 1906.
Landes- und Volkskunde Palästinas (= Sammlung Göschen 345). 1907.
Die Geschichte der Juden in Palästina seit dem J. 70 n. Chr. Eine Skizze. 1909.
Die Mischnatraktate Sanhedrin und Makkoth. Ins Deutsche übersetzt und unter besonderer Berücksichtigung des Verhältnisses zum Neuen Testament mit Anmerkungen versehen. 1910.
Die Profeten. Untersuchungen zur Religionsgeschichte Israels. 1914.
Die Entstehung des Buches Daniel. In: ThStKr 92, 1919, S. 113–138.
Arabische Metrik. In: Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft 74, 1920, S. 359–416.
Geschichte der israelitischen und jüdischen Religion (Sammlung Töpelmann / 1 ; 7). Töpelmann, Gießen 1922.
Komposition und Ursprung des Deuteronomiums. In: Zeitschrift für die alttestamentliche Wissenschaft 40, 1922, S. 161 ff.
Das Buch der Könige. In: Hans Schmidt (Hrsg.): Eucharistion. Studien zur Religion und Literatur des AT und NT, Hermann Gunkel zum 60. Geburtstag. Bd. 2, 1923, S. 158 ff.
Die Bücher Esr und Neh. In: Alfred Bertholet (Hrsg.): Die Handschriften des Alten Testaments. Bd. 2, 4. Auflage, 1923, S. 491–562.
Ezechiel. Der Dichter und das Buch. Eine literarkritische Untersuchung (BZAW 39). 1924.
Die Ursprünge der jüdischen Eschatologie. 1925.
Urgemeinde und Spätjudentum. Oslo 1928.
Syrische Verskunst. 1932.
Das Buch Hiob. 1937 (2. Auflage 1952).
Die Hohenpriesterliste bei Josephus und die ev. Chronologie (= SAH Philos.-hist. Kl. Jg. 1939/40, Abb. 3). 1940.
Die Anfänge der hebräischen Geschichtsschreibung (= SAH 1941/42, Abh. 3). 1942.
Drei Erdkarten. Ein Beitrag zur Erkenntnis des hebräischen Altertums (= SAH Philos.-hist. Kl. Jg. 1944/48, Abh. 3). 1949.
Geschichtsschreibung in Israel. Untersuchungen zum Jahwisten (Skrifter utgivna av Kungl. Humanistica Vetenskaps samfundet i Lund 50). Lund 1952.