Kariera W 1954, podczas nauki w Lock Haven State Teachers College, występował solo w programie Mark Twain Tonight! jako Mark Twain. 12 lutego 1956 Ed Sullivan zaprosił Holbrooka do programu CBS The Ed Sullivan Show. Związał się też z Valley Players (1941–62). W 1963 na off-Broadwayu grał Abe Lincolna w spektaklu Roberta E. Sherwooda Abe Lincoln in Illinois. W 1966 trafił na scenę Broadwayu z przedstawieniem Mark Twain Tonight, za które odebrał Tony Award i Drama Desk. W 1967 jego występ Mark Twain Tonight był prezentowany w telewizji CBS i Xerox, za który otrzymał Emmy.
Debiutował na dużym ekranie jako Gus Leroy w dramacie Sidneya Lumeta Przyjaciółki (The Group, 1966) z Candice Bergen i Joan Hackett. W adaptacji powieści Howarda Sacklera Wielka nadzieja białych (The Great White Hope, 1970) w reżyserii Martina Ritta u boku Jamesa Earla Jonesa i Jane Alexander wystąpił jako Al Cameron. W kontrowersyjnym dramacie telewizyjnym ABC Tego lata (That Certain Summer, 1972) z Martinem Sheenem zagrał homoseksualnego rozwiedzionego kontrahenta z San Francisco, Douga Saltera, ojca 14-letniego syna Nicka. Wystąpił też w filmie sensacyjnym Teda Posta Siła magnum (Magnum Force, 1973) jako porucznik Neil Briggs, przełożony inspektora Harry’ego Callahana (Clint Eastwood).