Fils d'un célèbre architecte (Niels Peter Christian Holsøe, 1826-1895), il étudie dès 1882 à l’Académie des Beaux-Arts de Copenhague et suit à partir de 1884 le cours des Ateliers libres de Peder Severin Krøyer (1851-1909) célèbre peintre du groupe de "Skagen". Carl Holsøe fréquente Peter Ilsted (1861-1933) et Vilhelm Hammershøi (1864-1916) avec qui il formera l’élite de la peinture danoise de cette fin de . Exposant en marge du Salon officiel de Charlottenborg, les trois peintres, membres du groupe "Den Frie Udstillung", deviendront les maîtres de la peinture d’intérieur. Leurs toiles seront le brillant prolongement du travail des maîtres hollandais du qu’ils admirent et notamment de Johannes Vermeer (1632-1675) alors redécouvert. Carl Holsøe adopte ce genre pictural dès 1886 et rencontre un succès rapide tant au Danemark qu’en Suède. Il exposera continuellement pendant trente ans à Charlottenborg recevant pas moins de trente-trois distinctions dont la fameuse médaille Eckersberg de l’Académie Royale des Beaux-Arts du Danemark. Carl Holsøe reçoit également une Mention honorable au Salon de Paris en 1889 à l'occasion de l'Exposition Universelle et une médaille d’or à l’Exposition Internationale de Munich en 1891.