Fils cadet de la comtesse Clara Henriette Marie von Pölzig (1835–1879), elle-même fille du baron Alexander von Hanstein (titré comte von Pölzig en 1827) et de son épouse la princesse Louise de Saxe-Gotha-Altenbourg, Hans Poelzig porte le nom de famille de sa mère, dérivé du domaine de Pölzig en Thuringe, n'ayant pas été reconnu à sa naissance par l'époux de sa mère, le gentleman anglais George Acland Ames (1827-1873), et dont elle se sépare.
Au tournant du siècle, après la fin de sa formation, Poelzig dessina beaucoup de bâtiments industriels. Il dessina un château d'eau de 51,2 m de haut à Posen pour une exposition industrielle de 1911.
Poelzig fut aussi connu pour avoir réaménagé en 1919 l'intérieur de la Großes Schauspielhaus de Berlin pour Max Reinhardt, impresario de Weimar, ainsi que pour les décors du film Der Golem, une production de l'UFA[2].
Avec ses contemporains architectes à Weimar comme Bruno Taut ou Ernst May, l'œuvre de Poelzig s'est développé au milieu des années 1920 à travers l'Expressionnisme et la Nouvelle Objectivité avant l'arrivée d'un style plus conventionnel et plus économe de moyen. En 1927 il fut un des protagonistes du Weißenhofsiedlung à Stuttgart, première manifestation de ce qui allait devenir le Style international. Dans les années 1920 il dirigea une agence d'architecture en partenariat avec sa deuxième femme Marlene Poelzig (née Moeschke) (1894-1985). Poelzig dessina aussi la maison de la radiodiffusion dans le quartier de Charlottenbourg à Berlin, un bâtiment remarquable à la fois dans l'histoire de l'architecture, de la Guerre froide et de l'ingénierie.
Le bâtiment de Poelzig le plus connu est l'énorme et légendaire bâtiment de l'IG Farben achevé en 1931, bâtiment construit pour l'administration de la compagnie IG Farben à Francfort-sur-le-Main. En mars 1945 le bâtiment fut réquisitionné par l'armée américaine, devenant le quartier général des forces américaines en Allemagne jusqu'en 1995. Aujourd'hui, il est connu comme étant le bâtiment Poelzig de l'université Goethe.
Sven Grüne, Gregor Herberholz: Hans Poelzigs «Festbau» für die Arbeit. Die Textilfabrik Sigmund Goeritz A.G. in Chemnitz (1922–1927). (mit einem Nachwort von Tilo Richter) Passage-Verlag, Leipzig 2005, (ISBN3-938543-07-8).
Jerzy Ilkosz und Beate Störtkuhl (Hrsg.): Hans Poelzig in Breslau. Architektur und Kunst 1900-1916. Delmenhorst 2000, (ISBN978-3-932292-30-9).
Winfried Nerdinger(de): Hans Poelzig, Paul Bonatz, Paul Schmitthenner – Die allmähliche Aufwertung, Normalisierung und Rehabilitierung der Konservativen, Opportunisten und NS-Mittäter. In: Arch+ 235 Rechte Räume 05/2019[3]
↑Poelzig chaperonna Edgar Ulmer sur le film ; quand Ulmer réalisa en 1934 le film noirThe Black Cat, il lui rendit hommage en donnant le nom de « Hjalmar Poelzig » au méchant architecte grand prêtre satanique joué par Boris Karloff