Malgré sa santé fragile, Holst s'engage très vite dans la Résistance norvégienne, à la suite de l'invasion de la Norvège par l'Allemagne nazie, à l'issue de l'Opération "Weserübung" au printemps 1940. Il entre dans Milorg grâce à son beau-frère, Lars Heyerdahl-Larsen, en 1941. Rapidement, il gagne la réputation d'être un homme d'action efficace. Il est notamment à l'origine du réseau de passeurs de réfugiés norvégiens vers la Suisse, qu'il participe à établir en 1942. Il entretient des contacts proches avec certaines figures de Milorg, comme Ole Borge et Jens Christian Hauge, avec qui il partage notamment un appartement en 1942, avec le soutien de Margarete Corneliussen, qu'Holst épouse en 1944.