Margaret Hoelzer s'illustre à partir de 1998 en participant à une épreuve de coupe du monde et en intégrant l'équipe nationale juniors américaine. En 2000, elle participe sans succès aux sélections olympiques américaines. Après être montée pour la première fois sur le podium lors des championnats nationaux, elle remporte en 2002 la médaille d'or sur dos aux Championnats pan-pacifiques. L'année suivante, c'est au niveau mondial qu'elle monte sur la seconde marche du podium toujours sur dos lors des Championnats du monde de natation 2003. Lors des sélections olympiques de 2004, la nageuse obtient sa qualification pour les Jeux olympiques d'Athènes en remportant le dos. Cependant, lors du rendez-vous olympique, l'Américaine doit se contenter de la cinquième place lors de la finale du dos à moins d'une seconde du podium.