Holtby debuterte i NHL for Washington Capitals 5. november 2010 hjemme i Verizon Center mot Boston Bruins, da han erstattet førstemålvakten Michal Neuvirth på stillingen 3-3 og med ti minutter igjen å spille. Holtby stoppet fire skudd fra Bruins, mens Capitals scoret to ganger slik at han fikk en seier i debuten. Holtby var med fra start for første gang to dager senere mot Philadelphia Flyers, en kamp Capitals vant 3–2 i sudden death. Holtby holdt ren bur for første gang i NHL 9. mars 2011 da han stoppet 22 skudd da Capitals vant 5-æ0 over Edmonton Oilers.