Вскоре после рождения сына мать Хорста Буххольца Мария Хазенкамп была вынуждена отдать его на воспитание в приёмную семью. Фамилию Буххольц мальчик получил в 1938 году, когда его мать вышла замуж за сапожника Хуго Буххольца. Семья проживала в берлинском районе Пренцлауэр-Берг.
В 1941 году родилась сводная сестра Хорста Хайди, которая дала ему прозвище «Хотте» , оставшееся с ним на всю жизнь. Хорст рано стал самостоятельным и независимым.
В 1943 году мальчика отправили в Силезию в детский лагерь в эвакуацию, поезд подвергся атаке штурмовой авиации, в которой погибла половина находившихся в поезде детей.
В Берлин Буххольц вернулся в 1946 году.Хорст Буххольц брался за любую работу, восстановился на учёбу в школе. Свою первую роль он сыграл на сцене школьного театра в постановке «Коварства и любви» , за которой последовала главная роль в «Плоте Медузы» Георга Кайзера в театре имени Хеббеля.
В 1948 году Буххольц работал статистом в берлинском театре «Метрополь» и занимался озвучиванием.
В 1950 году бросил школу, чтобы окончательно стать актёром, брал уроки актёрского мастерства.Дебют в кино состоялся в 1952 году в массовке фильма «След ведёт в Берлин» Ирины Гарден. За роль в четвёртом фильме с его участием Хорст Буххольц был признан лучшим актёром на Каннском кинофестивале 1955 года.
В 1956 году Буххольц стал знаменитым после главной роли в фильме «Хулиганы» Георга Треслера.
И следующий фильм с его участием «Конечная станция — любовь» подтвердил его славу немецкого Джеймса Дина. Образ упрямого бунтаря сделал Буххольца кумиром молодёжи как в Восточной, так и Западной Германии.
В 1957 году Буххольц снялся в ленте «Монпти» , где его партнёршей выступила Роми Шнайдер.
В 1958 году по окончании съёмок фильма «Воскресение» по роману Л. Н. Толстого Буххольц женился на французской актрисе Мириам Брю, с которой он исполнил главные роли в этой экранизации. У них родилось двое детей — Кристофер и Беатрис. Мировая известность пришла к Буххольцу с заглавной ролью в экранизации романа Томаса Манна «Признания авантюриста Феликса Круля» . Следующей вехой в его карьере стал фильм «Мокрый асфальт» , вслед за которым поступило предложение роли в фильме «Тигровая бухта» 1959 года.
В том же 1959 году состоялся дебют актёра на Бродвее в постановке «Шери» по Аните Лус.
В 1959 году Буххольц снялся в немецком фильме «Корабль мёртвых» по одноимённому роману Б. Травена.
В дальнейшем актёр, бегло говоривший на шести языках, снимался преимущественно в фильмах американского, французского, английского и итальянского производства.
В 1960—1961 годах Буххольц снялся в двух голливудских лентах, завоевавших мировое признание: в роли Чико в легендарном вестерне «Великолепная семёрка» и в комедии «Один, два, три» у Билли Уайлдера.
В 1973 году ради кинокомедии «…Но Джонни» Хорст Буххольц вернулся в Германию.
В последующие годы он был занят преимущественно на телевидении.
В 1981 году вышла его авторская телепередача Astro Show совместно с астрологом Элизабет Тейсье.
До самой своей смерти Буххольц работал в берлинских театрах. Последней значительной ролью в кино для Буххольца стала роль врача концентрационного лагеря в оскароносном фильме Роберто Бениньи «Жизнь прекрасна» .
В интервью, которое Хорст Буххольц дал в 2000 году журналу Bunte, актёр впервые признался в своей бисексуальности. Буххольц умер внезапно от воспаления лёгких, развившегося после операции, связанной с переломом шейки бедра. Похоронен на берлинском кладбище Хеерштрассе.Оставил после себя жену Мириам и двоих детей: сына Кристофера и дочь Беатрис.
И сын, и дочь стали актёрами.