Hölzenbein spilte 40 landskamper og scoret fem mål for mellom 1973 og 1978. I 1974 var han del av en angrepstrio med Gerd Müller og Jürgen Grabowski, og Hölzenbein spilte en viktig rolle. Han ble felt i straffefeltet til i finalen, som medførte at Paul Breitner utliknet på straffe. Hölzenbein spilte også i EM i fotball 1976, der hans skjebne var lik Wolfgang Webers. Som Weber i 1966 utliknet han til 2-2 i det 89. minutt, men som med Weber var utlikningen til 2-2 bare en utsettelse av finaletapet, etter at som første og siste lag per januar 2014 slo Tyskland på straffesparkkonkurranse. Hölzenbein spilte også i VM i 1978.