Holonyak var John Bardeens første doktorgradsstudent ved University of Illinois at Urbana-Champaign. Han tok grunnfag, mastergrad og doktorgrad (1954) ved samme universitet. Han lagde den første halvlederlaseren i 1960. I 1963 arbeidet han igjen sammen med Dr. Bardeen, oppfinneren av transistoren, ved University of Illinois.