1988-1997 : Ses débuts

À l'âge de 13 ans, Holly a eu son premier grand rôle dans le film Sweet Hearts Dance, une comédie dramatique réalisée par Robert Greenwald ; elle jouait le rôle de Debs Boon, la fille de Wiley Boon (interprété par Don Johnson) et de Sandra Boon (interprétée par Susan Sarandon). Son deuxième grand rôle fut dans le film Né un 4 juillet en 1989, adapté de l'autobiographie best-seller du même nom de Ron Kovic. Elle jouait le rôle de Jenny aux côtés de Tom Cruise. Elle a ensuite joué dans New York Stories (1989) ainsi que dans Simple Men (1992).

En 1992, elle a aussi joué dans Chain of Desire et dans Dr. Rictus où elle incarnait le rôle de Jennifer Campbell, la fille de Tom Campbell (interprété par Cliff De Young) et la petite amie de Max Anderson (interprété par Glenn Quinn).

À 18 ans, Holly obtient le rôle de Kimberly Brock dans la série télévisée Un drôle de shérif pendant quatre saisons (1992-1996). Elle avait auditionné pour ce rôle à New York mais les producteurs ne lui ont initialement pas donné le rôle car ils pensaient qu'elle "n'avait pas un assez grand cœur". Holly leur a alors répondu : "Si vous cherchez quelqu'un avec un grand cœur, qu'est-ce que vous foutez à New York ?!". Plus tard, les producteurs l'ont rappelée pour lui donner le rôle. Holly a remporté un Young Artist Awards pour sa performance.

En 1996, Holly tourne dans le film dramatique/horreur Le Prix du silence, puis l'année suivante, elle incarne la vraie meurtrière condamnée Diane Zamora dans le téléfilm Serments mortels. Elle joue également dans le film L'Amant diabolique.

1998-Présent : Charmed et l'après Charmed

En 1998, Holly a eu le rôle de Piper Halliwell, sœur cadette de Prue Halliwell (interprétée par Shannen Doherty) et sœur aînée de Phoebe Halliwell (interprétée par Alyssa Milano) qui s'avèrent être des sorcières, dans la série dramatique/fantastique Charmed diffusée sur la chaîne américaine The WB. Après le départ de Shannen Doherty à la fin de la troisième saison (en 2001), son personnage devient l'aînée de la famille lorsque l'actrice Rose McGowan rejoint le casting en incarnant le rôle de Paige Matthews, la demi-sœur cadette des sœurs Halliwell. À partir de la cinquième saison, Holly devient aussi la productrice de la série. La série s'est achevée le 21 mai 2006 au bout de huit saisons. En 2008, AOL a listé Piper Halliwell comme la troisième meilleure sorcière de toute l'histoire de la télévision.

Pendant que Holly joue dans Charmed, elle tourne également dans quelques films, dont : Ocean's Eleven (2001) et Une célibataire à New York (2003) aux côtés de Charisma Carpenter. En 2008, Holly signe un contrat avec la chaîne Lifetime pour produire et tourner dans la série télévisée Mistresses, adaptée de la série britannique du même nom, mais la série n'a jamais été diffusée.

En 2010, elle obtient le rôle d'Ella Montgomery, la mère d'un des personnages principaux Aria Montgomery (interprétée par Lucy Hale), dans la série dramatique/mystère/thriller Pretty Little Liars, diffusée sur la chaîne américaine ABC Family depuis le 8 juin 2010.