Elle naît à San Diego en Californie le 3 décembre 1973 alors que sa mère, elle-même comédienne, n'a que 14 ans. À 8 ans, cette dernière l'emmène à New York où elle suit des cours à la Children's school, pendant que sa mère continue sa carrière de chanteuse et comédienne. À 10 ans, Holly tourne dans plusieurs publicités, puis à 12 ans, elle obtient un rôle dans Les murs de verre avec sa mère. On l'aperçoit en 1988 aux côtés de Don Johnson et Susan Sarandon dans Sweet Hearts Dance puis dans Né un 4 juillet avec Tom Cruise.

En 1992, elle décroche le rôle qui va la faire connaître, celui de Kimberly, la fille du shérif dans Un drôle de shérif qui lui a valu un Young Artist Award. Elle tourne la même année dans le film Dr. Rictus. Le 28 février 1993, elle se marie avec Bryan Travis Smith, dont elle divorce en 1997.

C'est en 1998 qu'elle fait son retour à la télévision avec Charmed, une série fantastique qui raconte les aventures de trois soeurs sorcières dont le but est de détruire le mal dans le monde dans laquelle elle incarne Piper. Cette série est un succès planétaire qui lui permet d'obtenir une certaine notoriété. Elle deviendra productrice de la série avec Alyssa Milano. Depuis la fin de la Charmed, elle est restée très proche de Rose McGowan, Alyssa Milano et Shannen Doherty.

Elle joue en 2003 dans le téléfilm Une célibataire à New York avec Charisma Carpenter. Elle a épousé David Donoho le 14 février 2004. Ils sont les parents de trois garçons : Finley Arthur, dont la marraine est Shannen Doherty, Riley Edward et Kelley James. Elle fait son retour à la télévision en 2010 en jouant dans la série télévisée Pretty Little Liars sur ABC Family.