Acteur américain de cinéma, de théâtre et de télévision, Hal Holbrook débute sa carrière sur les planches de Broadway dans les années 50 et 60. L'acteur apparaît pour la première fois sur le grand écran en 1966 dans le drame Le groupe de Sidney Lumet. Alternant régulièrement entre le cinéma et la télévision, Hal Holbrook se spécialise dans les rôles contemporains de représentants de la loi ou de la société civile, ou dans les compositions de hors-la-loi.

On le voit ainsi en lieutenant aux cotés d'Harry Callahan (Clint Eastwood) dans Magnum Force de Ted Post en 1973, puis dans la peau du mystérieux indicateur Gorge profonde dans Les Hommes du president d'Alan J. Pakula en 1976. La même année, il participe à La Bataille de Midway aux côtés de Charlton Heston, Henry Fonda et James Coburn, avant de rejoindre Jane Fonda et Vanessa Redgrave sur Julia de Fred Zinnemann.

La fin des années 70 et le début des années 80 voient Hal Holbrook s'essayer à la science-fiction et au fantastique. Il affronte ainsi l'hostile planète Mars dans Capricorne One de Peter Hyams (1978), les marins revenants de Fog de John Carpenter (1980) et une créature sanguinaire dans Creepshow de George A. Romero (1982).

Retour sur terre et retrouvailles avec Peter Hyams dans La Nuit des juges en 1983, dans lequel Hal Holbrook incarne un juge face à la criminalité galopante. En 1987, l'acteur est à l'affiche de Wall Street d'Oliver Stone, avant de tourner aux côtés de Chevy Chase dans Fletch lives en 1989. En 1993, Hal Holbrook retrouve les arcanes judiciaires et la caméra d'Alan J. Pakula pour La Firme, avant de jouer dans de nombreux téléfilms tout au long de la décennie. On le retrouve aux côtés de Robert De Niro en 2000 dans Les Chemins de la dignité, puis en 2001, en membre du Congrès américain dans la comédie dramatique The Majestic de Frank Darabont.

Continuant d'alterner comme à son habitude ses rôles au cinéma et ses apparitions dans de multiples séries et téléfilms, Hal Holbrook revient sur grand écran en 2004 avec un rôle secondaire dans le thriller Les Maîtres du jeu. Il faut alors attendre quatre nouvelles années pour que le visage du comédien réapparaisse à nouveau dans les salles de cinéma, ce qu'il fait le temps de quelques scènes du road-movie Into the Wild, incarnant l'un des nombreux personnages rencontrés par le jeune Emile Hirsch. S'affichant en patient atteint de la maladie d'Alzheimer dans le drame Flying Lessons deux ans plus tard, Hal Holbrook participe ensuite à De l'eau pour les éléphants (2011), un drame romantique orchestré par Francis Lawrence, dans lequel il incarne le personnage de Jacob (Robert Pattinson) dans ses vieilles années.