Es folgten Engagements am Landestheater Schleswig, an den Städtischen Bühnen Nürnberg, am Staatstheater Saarbrücken und an den Städtischen Bühnen Köln bis zu seinem Durchbruch am Berliner Schillertheater 1961 als „Prinz Friedrich von Homburg“ von Kleist (Regie Boleslaw Barlog).
1961 kam er ans Bayerische Staatsschauspiel. Den Prinzen von Homburg hat Holtzmann auch am Residenztheater gespielt, Wetter vom Strahl, König Ödipus, Hamlet, Torquato Tasso, Major von Tellheim und unter vielen anderen Caligula von Camus. Gastspiele bei den Salzburger Festspielen als Goethes Faust (Regie Leopold Lindtberg), am Burgtheater Wien als Orest in Sartres „Die Fliegen“, am Schauspielhaus Hamburg als Prospero in Shakespeares „Sturm“. Er spielte in Kortner-Inszenierungen, Antonius in Shakespeares „Antonius und Cleopatra“ (Schiller Theater Berlin) und Goethes Clavigo in Hamburg. Ab 1966 Verpflichtungen an die Münchner Kammerspiele, denen er ab 1977 fest angehörte. Triumphaler Erfolg als Malvolio in Dieter Dorns Inszenierung von Shakespeares „Was ihr wollt“. Weitere Rollen in Dorn-Inszenierungen u. a. Dr. Schön in Wedekinds „Lulu“, Thoas in Goethes „Iphigenie auf Tauris“, Antonio in „Torquato Tasso“ von Goethe, König Artus in Dorsts „Merlin oder Das wüste Land“, Agamemnon in Shakespeares „Troilus und Cressida“ und Graf Gloucester in „König Lear“ . Außerdem u.a. den Holofernes in Hebbels „Judith“ (Regie Frank-Patrick Steckel), Wladimir in Becketts „Warten auf Godot“ (Regie George Tabori), Theseus in Racines „Phädra“ (Regie Alexander Lang), Ritter in „Alice im Wunderland“ von Lewis Carrol/Peter Zadek (Regie Peter Zadek) und den Robert in „Der Schein trügt“ von Thomas Bernhard. Nebenher Gastspiele: wieder am Residenztheater den Faust in der Inszenierung von Lindtberg und den Bassa Selim in Mozarts „Die Entführung aus dem Serail“ an der Staatsoper; großer Erfolg als Hermokrates in Marivaux’ „Der Triumph der Liebe“ an der Schaubühne, Berlin (Regie Luc Bondy). 1989 wurde ihm der Fritz-Kortner-Preis verliehen.
Vierzig Jahre nach seinem ersten Engagement kehrte er 2001 mit Dieter Dorn ans Bayerische Staatsschauspiel zurück. Dort spielte er Antonio in „Der Kaufmann von Venedig“ von William Shakespeare (Regie Dieter Dorn), Robert in „Der Schein trügt“ von Thomas Bernhard (Regie Dieter Dorn), Hamm in „Endspiel“ von Samuel Beckett (Regie Barbara Frey), Alexander Wladimirowitsch Serebrjakow in „Onkel Wanja“ von Anton Tschechow (Regie Barbara Frey) sowie die Rolle des Henrik in der Uraufführung „Die eine und die andere“ von Botho Strauß (Regie Dieter Dorn).
Am 17. Februar 2008 spielte er die letzte (102.) Vorstellung von Dieter Dorns „Der Kaufmann von Venedig“. Am 27. Februar 2010 stand Thomas Holtzmann zum letzten Mal auf der Bühne des Residenztheaters für die Lesung „Du bist böse, eine Bestie. Krieg und Frieden im Hause Tolstoi“ und las zusammen mit Gustl Halenke aus den Tagebüchern von Sofja und Leo Tolstoi.
