En 1877 complementó su viaje a la Patagonia con una expedición al norte, en la que recorrió el Chaco, el altiplano andino y Cuyo.

En 1878, junto con el entomólogo Enrique Lynch Arribálzaga, fundó la primera revista dedicada en exclusiva a la biología en Argentina, El Naturalista Argentino; solo se publicó un número de ésta, pero la calidad del material llevó a que numerosas instituciones científicas de todo el mundo, entre ellas el British Museum, requiriesen ejemplares.

La exploración del Chaco la abordó en compañía de Ameghino, dando inicio a una larga y fructífera colaboración.

Fundado durante el gobierno de Domingo Faustino Sarmiento, el zoológico no contaba aún siquiera con un plano definitivo.

De publicación mensual, colaboraron en ella Ameghino, Juan Bautista Ambrosetti y Lynch Arribálzaga, amén del propio Holmberg, entre otros destacados científicos.

Holmberg comenzó a publicar sus devaneos literarios hacia 1872; simultáneamente con sus Viajes por la Patagonia verían la luz sus primeras obras líricas.

La poesía ocupó sólo una pequeña parte de su producción literaria, destacándose el largo poema Lin-Calel, escrito en endecasílabos encadenados.

Fundó además el género policial en Argentina con su célebre La bolsa de huesos, y sus escritos se basaron en Charles Dickens, por quien sentía gran admiración.