Holtsmark var på nytt stortingsmann i periodene 1916–1918 og 1919–1921, den første som eneste representant for sitt parti, men i nært samarbeid med Høyre. Han var formann i Frisinnede Venstres hovedstyre fra 1918 til 1922 og fikk sitt fremste tillitsverv som parlamentariker som formann i Stortingets landbrukskomité 1920 til 1921.