Gedurende de Tweede Wereldoorlog werkte Holter als seniornatuurkundige bij de Amerikaanse marine waar hij de karakteristieken van golven bestudeerde. In 1946 leidde hij overheidsonderzoek tijdens de kernproeven op het Bikini-atol.
Na de oorlog werkte hij voor de Atomic Energy Commission en was in 1955 en 1956 voorzitter van de Society of Nuclear Medicin. In 1964 werd Holter benoemd tot hoogleraar aan de universiteit van Californië als coördinator bij het Institute of Geophysics and Planetary Physics. In 1979 kreeg hij van de Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) de AAMI Foundation Laufman-Greatbatch Prize voor zijn bijdragen aan de medische technologie.
Holter was een zoon van Norman B. Holter en een kleinzoon van Anton M. Holter, beiden pioniers in de staat Montana. Meerdere plaatsen in en rond Helena dragen zijn familienaam.