Han spelade 40 landskamper och gjorde 5 mål för Västtyskland 1973–1978. I hemma-VM 1974, där han spelade i ett tremannaanfall tillsammans med Gerd Müller och Jürgen Grabowski, var han med om att föra sitt land till sitt andra VM-guld. I finalen mot Nederländerna blev han fälld i straffområdet, varpå Paul Breitner kunde slå in den efterföljande straffsparken. Hölzenbein var även med i VM i Argentina 1978 samt EM 1976. I EM-finalen mot Tjeckoslovakien 1976 gjorde han kvitteringsmålet till 2–2 i 89:e minuten, men Tjeckoslovakien segrade i straffsparksläggningen.