Jens Holmboe var sønn av legen Michael Holmboe. Han ble student i 1898 og vant kronprinsens gullmedalje i 1902 for avhandlingen «Planterester i norske Torvmyrer». I 1899 ble han konstituert og i 1902 fast ansatt som assistent ved universitetet i Kristianias botaniske have. I 1906 ble han konservator ved Bergens Museums botaniske avdeling, og i 1914 professor i botanikk ved museet. Fra 1907 til 1917 var han dessuten museets direktør, men han fratrådte stillingen da det administrative arbeidet i anledning av den planlagte opprettelsen av et bergensk universitetet fikk så stort omfang at det hindret det vitenskapelige arbeidet. Fra 1906 var han i tillegg redaktør for tidsskriftet «Naturen», og inntil han fratrådte som direktør også av museets årbok.
Helt fra han var student, drev Holmboe botaniske studier og foretok hyppige vitenskapelige undersøkelser i Norge og i utlandet. I 1905 var han på Kypros for å studere øyas eiendommelige og mangelfullt kjente flora. Resultatet av studiene offentliggjorde han i et stort antall større og mindre avhandlinger. De fleste behandler plantegeografiske emner. Særlig forsøkte han å bidra til utredning av hvordan Norge fikk sitt nåværende plantedekke. Andre skrifter tok opp planteøkologiske og kvartærgeologiske spørsmål. Han skrev også om diatomeer, orientalske planter og om arvelighetsspørsmål.
Holmboe var medlem av den norsk-svenske reinbeitekommisjonen av 1913 og deltok i det vidløftige feltarbeidet og av utarbeidelsen av innstillingen som lå til grunn for konvensjonen av 5. februar 1919 om «Flytlappernes adgang til renbeitning». Fra 1910 var han medlem av Videnskabs-Selskabet i Christiania. Han var kommandør av den svenske Vasaordenen og ridder av Nordstjerneordenen.
