Figlio di Hans il Vecchio, inizialmente è apprendista, insieme al fratello Ambrosius, nella bottega paterna a Basilea e successivamente a Lucerna, dove esegue gli affreschi sulla facciata della casa del podestà Jacob von Hertenstein. Nel 1519 diventa membro della gilda dei pittori "Zum Rhimmel" di Basilea e lo stesso anno sposa la vedova Elsbeth Binzenstock, diventando cittadino svizzero. Fin dalle prime opere traspare la conoscenza di schemi, motivi decorativi e particolari architettonici caratteristici dell'arte italiana cinquecentesca che aveva probabilmente studiato durante un viaggio in Lombardia compiuto nei primi anni di formazione. Dopo un soggiorno a Bourges e a Lione, nella vana speranza di entrare a servizio presso la corte di Francesco I, nel 1526 si reca per la prima volta in Inghilterra con una lettera di presentazione per Thomas More, cancelliere del re Enrico VIII, scritta da Erasmo da Rotterdam. Ospitato da More nella sua casa londinese, dove esegue i ritratti del suo padrone di casa e dei familiari, fra il 1528 e il 1532 fa ritorno a Basilea per alcuni incarichi pubblici commissionati dai riformati. Dopo un secondo viaggio in Italia settentrionale, nel 1531 Holbein si trasferisce definitivamente in Inghilterra e dopo due anni, grazie ai buoni uffici della regina Anna Bolena, viene ammesso alla corte di Enrico VIII (1491-1547) dove diviene l'artista ufficiale. Muore nel 1543 a Londra all'età di circa 45 anni, forse di peste.