I 1887 opprettet han Sem landbruksskole sammen med sin bror William. Til sammen 1 000 elever gikk ved skolen frem til staten kjøpte Sem i 1914 og opprettet Statens småbrukslærerskole der. Han skrev mange lærebøker og faglige artikler, blant annet med fast spalter i flere aviser. Holtsmarks , først utgitt i 1897, ble brukt flittig av mange bønder og utkom i mange opplag.