En 1032 Holzem est mentionnée sous le nom de « Hulcinesheim » sur un document de l’empereur Henri II. En 1428 les échevins de la ville de Luxembourg font savoir à l’abbaye de Münster que dorénavant Claes et Johann de Holzem doivent être considérés comme les serfs de cette abbaye. En 1585, Margaretha, épouse de Steffen Claes de Holzem est condamnée à mort pour sorcellerie et pendue au Fetschenhof.
Pendant la Guerre de Trente Ans, les soldats croates intégrés dans les troupes impériales massacrent la population de Holzem en 1636. Aux horreurs de la faim et de la guerre s’ajoute le spectre de la peste. Près de deux tiers de la population décèdent. Lors du siège de la forteresse de Luxembourg par les Français, le maréchal Créqui déplace la population de Holzem dans les environs de Longwy.
De 80 habitants en 1659 la population passe, selon un recensement à 30 âmes seulement. Gerlingen, un voyage voisin, fut décimé totalement et fut rayé de la carte.
En 1962 le centre de Holzem est complètement reconstruit et une nouvelle école y est construite.
La fin du 20è siècle voit la localité prospérer avec entre autres la construction d’un grand nombre de maisons et la création d’une zone d’activités industrielles et commerciales le long de la rue de Capellen
