Sehr erfolgreich war Holten Poulsen im Einer-Kajak bei Weltmeisterschaften. 2013 gewann er in Duisburg über 500 Meter noch die Silbermedaille, ehe er ein Jahr darauf in Moskau in dieser Disziplin Weltmeister wurde. Zudem sicherte er sich die Bronzemedaille über 1000 Meter. Noch erfolgreicher verliefen die Weltmeisterschaften 2015 in Mailand, bei denen er sowohl über 500 als auch über 1000 Meter den Titel gewann. 2017 folgte in Račice u Štětí über 500 Meter ebenso der Gewinn der Silbermedaille wie 2018 in Montemor-o-Velho über 5000 Meter.