A lo largo de su formación, estudió siempre en colegios dirigidos por los Hermanos cristianos, debido al profundo afecto que su padre les tenía, pues el santo hermano Miguel había sido quien lo preparó para su primera comunión.

Estudió toda la secundaria durante los ponderosos años de la Segunda Guerra Mundial.

[4]​ En 1944 regresó a Quito, para terminar el bachillerato con los máximos honores, graduándose en julio de 1946.

[4]​ Dos años después de iniciar sus estudios superiores, su padre fue nombrado embajador ante la Santa Sede.

Entre sus profesores destacaron Giorgio Del Vecchio, Emilio Betti y Vincenzo Arangio-Ruiz, con quienes estableció una amistad.

Larrea se unió a la segunda promoción del colegio durante el curso 1949-1959.

En junio de 1951, rindió los exámenes, tanto escrito como oral, para obtener la licenciatura en Derecho canónico.

La tesis de la Sapienza, redactada en italiano, trató un tema de Derecho privado comparado y tuvo como título: Il matrimonio nei regimi concordatari ("El matrimonio en los regímenes concordatarios").

Por una afortunada coincidencia, había una vacante en una materia y el semestre estaba por comenzar.

Tobar Donoso agradeció la visita y, ese mismo mes, Larrea se incorporó como docente.

De esta manera, se convirtió en el exalumno en desempeñar una cátedra en su propia universidad.

[9]​ Su labor académica se extendió a la Academia de Diplomacia, donde impartió clases durante tres o cuatro años, y al Instituto de Altos Estudios Nacionales, donde enseñó derecho territorial e internacional privado por una década.

[10]​ En 1965 fundó junto a otros compañeros, la Corporación de Estudios y Publicaciones (CEP).

[10]​ Sin embargo, en 1983, al asumir el cargo de primer ordinario militar del Ecuador, regresó a Quito y retomó la cátedra, esta vez en la Universidad Central del Ecuador.

[10]​ Durante su etapa universitaria en Roma, conoció al español Ignacio Sallent, ingeniero químico y estudiante de Teología en el Lateranense.

Sallent residía en la única casa del Opus Dei en Roma en aquel entonces, conocida como el Pensionato.

En abril de 1949, Sallent le explicó detalladamente lo que era la Obra y lo invitó a considerar su vocación.

Al día siguiente, conoció a Josemaría Escrivá de Balaguer y fue incorporado en la Obra.

Durante la audiencia de despedida con el papa Pío XII, a la que asistió toda la familia, Larrea Holguín le expresó al Santo Padre que pertenecía al Opus Dei, recibiendo su felicitación.

En mayo de 1952, durante una tertulia con Escrivá al cierre de su último curso académico, el fundador fue asignando a los alumnos del Colegio Romano los destinos donde iniciarían la labor del Opus Dei.

[13]​ El cardenal Muñoz Vega encargó la investigación a Francisco Salazar Alvarado y Larrea.

Sin embargo, el cardenal Carlos María de la Torre, último en conocerlo, sufrió un ataque cerebral y lo perdió.

Dentro había otra caja metálica sellada con el cuerpo momificado de García Moreno, vestido con uniforme militar.

[14]​ Larrea se interesó en que se hiciera una lápida de mármol, y le pidió a los oblatos de la Basílica del Voto Nacional que financiaran un monumento.

Promovió el desarrollo de la Editorial Justicia y Paz fundada por su predecesor.

Además, proyectó y llevó a cabo la construcción de un majestuoso santuario en Nobol.

La capilla ardiente se instaló el día posterior a su fallecimiento en la Basílica del Voto Nacional.

Entre sus publicaciones destacó especialmente su comentario al Código Civil, una obra monumental de catorce tomos.

Fue el primer jurista ecuatoriano en analizar en profundidad todo el Código Civil de Andrés Bello, un proyecto que varios de sus predecesores, como Luis Felipe Borja Pérez, intentaron sin concluir.

En 2016, se celebró el I Congreso de Derecho y Humanidades, en homenaje al arzobispo Larrea.