Es recordada sobre todo por sus interpretaciones en La barrera invisible (1947), que le valió el Premio Óscar de su carrera, y en Eva al desnudo (1950).

Su primer papel como profesional fue en una producción de Hamlet protagonizada por Leslie Howard.

(1943), producción que le reportó los mayores reconocimientos por parte de la crítica y el público.

A pesar del éxito cosechado, Holm prefirió seguir trabajando en el teatro, oficio que compaginó con escasos papeles en varios filmes durante las siguientes décadas (entre los que cabe reseñar el musical Alta sociedad (1956), que coprotagonizó con Frank Sinatra) y con apariciones en series de televisión.

Posteriormente estuvo casada con Francis E. Davies, del que se divorció al cabo de poco, y más tarde con A. Schuyler Dunning, empresario del mundo de la aeronáutica, con quien tuvo su segundo hijo, Daniel.