Natif de Prestonburg, petite ville de l’état du Kentucky, Boyd Holbrook passe son enfance et son adolescence à apprendre la guitare et faire de l’équitation, le jeune homme décide de faire ses valises direction New York où son âme d’artiste rêve de s’exprimer. C’est sur les podiums que Boyd va débuter sa carrière ; le futur acteur est repéré en 2001 par l’agence de mannequin Elite alors qu’il travaille en tant que charpentier dans un théâtre. Il devient ainsi l’égérie de grandes marques comme Versace, Hugo Boss ou Jean-Paul Gaultier.

L’argent glané en tant que mannequin permet à Boyd de se payer des cours à la New York University pour réaliser ses rêves de cinéma. Il intègre ensuite le William Esper Studio où il étudie l’art dramatique et suit le prestigieux programme de Meisner sur 2 ans. Grâce à ses efforts, le comédien décroche un premier rôle sur grand écran dans le biopic Harvey Milk de Gus Van Sant (2008). Il enchaîne ensuite des apparitions dans des séries TV comme The Unusuals ou The Big C.

Boyd continue ensuite son ascension, autant sur le grand que le petit écran. On le voit notamment aux côtés de Michael Douglas et Matt Damon dans Ma vie avec Liberace sous la direction de Steven Soderbergh ; il poursuit ensuite au cinéma avec Les Âmes Vagabondes d’Andrew Niccol puis le thriller Gone Girl de David Fincher et le drame puissant Les Brasiers de la colère. L’acteur donne ensuite la réplique la réplique à Liam Neeson dans deux films d’affilée, Balade entre les tombes et Night Run. Il explose toutefois en 2015 grâce à sa performance dans la peau de l’agent spécial Steve Murphy, chargé de la traque du narcotrafiquant Pablo Escobar dans la série acclamée Narcos.

Toutes ces expériences permettent à Boyd de se retrouver dans le blockbuster de super-héros Logan (2017), mis en scène par James Mangold. L’artiste prête ses traits au grand méchant du film, celui qui est chargé de donner du fil à retordre au griffu Hugh Jackman. À noter que le comédien est le compagnon de l’actrice Elizabeth Olsen, rencontrée sur le tournage de Very Good Girls en 2012. 

En 2018, Boyd se glisse dans la peau du tireur d'élite badass Quinn McKenna dans The Predator. Le comédien doit traquer une nouvelle race de Predator évolué venu faire de la Terre son terrain de chasse.