Родился 23 января (4 февраля) 1899 года в Саратове.
В 1926 году окончил Академию воздушного флота им. Н. Е. Жуковского. После адъюнктуры стал преподавателем, в 1937 году назначен начальником кафедры.
С 1933 года - руководитель ОКБ (ОКБ Болховитинова) завода № 22 в Филях.
С 1939 года - директор и главный конструктор завода № 293 Наркомата авиационной промышленности в Химках.
В 1934—1936 годах возглавлял разработку тяжёлого бомбардировщика ДБ-А («Дальний Бомбардировщик — Академия» ), на котором в 1936—1937 годах советскими лётчиками установлены четыре мировых рекорда дальности полёта с грузом. Этот самолёт под номером Н-209 был использован С. А. Леваневским при фатальной попытке перелёта в США через Северный Полюс в августе 1937 года.
До 1940 года ДБ-А выпускался небольшой серией и использовался в качестве транспортного самолёта.
В 1939 году руководил постройкой оригинального скоростного самолёта-истребителя «С» с двумя соосными винтами, показавшего при лётных испытаниях скорость 570 км/ч.
В начале 1940 года участвовал в испытаниях установленного на самолёт прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
В 1941—1945 годах под руководством Болховитинова конструкторами А. Я. Березняком и А. М. Исаевым был разработан первый советский ракетный истребитель БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем.
С 1946 года — на преподавательской работе в Военно-воздушной академии имени Н. Е. Жуковского.Автор ряда трудов по авиационной технике.Умер 29 января 1970 года в Москве. Похоронен на Введенском кладбище..mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-quote{float: none;padding: 0.25em 1em;border: thin solid #eaecf0}.mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-source{margin: 1em 0 0 5%;font-size: 105%}.mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-quote .ts-oq{margin: 0 -1em -0.25em}.mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-quote .ts-oq .NavFrame{padding: 0}.mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-quote .ts-oq .NavHead,.mw-parser-output .ts-Начало_цитаты-quote .ts-oq .NavContent{padding-left: 1.052632em;padding-right: 1.052632em}…Я неизменно со смешанным чувством досады и благодарности вспоминаю Болховитинова, которого мы называли не иначе как «патрон» . Благодарности за сохранение тёплых человеческих отношений в творческом коллективе, независимо от должностной иерархии.
К главному конструктору Болховитинову мы относились не как к грозному начальнику.
Он был нашим старшим товарищем, которого власть облекла необходимыми по тем временам правами и обязанностями. Его не боялись, а попросту любили. А чувство досады связано с явной несправедливостью судьбы к таким учёным-конструкторам, как Болховитинов. Полноценный «главный» или «генеральный» должен иметь в дополнение к интеллигентности то, что принято называть «исключительными организаторскими способностями» . Болховитинов любил талантливых и не боялся, в отличие от других, что его ученики способны превзойти учителя и затмить его славу.Исаев, Березняк, Мишин, Пилюгин - бывшие соратники и подчинённые Болховитинова, сами стали «главными» . Своими успехами они во многом обязаны школе Болховитинова.Одним из качеств, которые культивировались в этой школе, было умение размышлять и в процессе повседневной рабочей суеты обобщать отдельные факты и события, стремясь понять движущие силы развития науки и техники..mw-parser-output .ts-Конец_цитаты-source{margin: 0.357143em 2em 0 0;text-align: right}— Б.Е. Черток. Ракеты и люди. Книга 2. От самолетов до ракет. 2016. стр.195 (новая редакция издания)]