霍尔丹出生于英国牛津的贵族知识分子家庭，父亲是著名生理学家。他从小是神童，3岁听父亲做学术报告，童年在父亲实验室当助手，常通过在自己身上做危险实验研究生理问题。他在牛津大学新学院学习数学和人文学科，1914年以一等荣誉毕业，随即参军参加一战，在苏格兰近卫团服役表现英勇。

战后霍尔丹转向生物化学和遗传学研究。1922年至1932年在剑桥大学生物化学实验室期间，他发表系列论文《自然选择和人工选择的数学理论》，与费希尔、赖特平行地用数学方法证明自然选择如何作用于孟德尔式遗传种群，定量描述有利基因扩散速率、突变与选择压力平衡、杂种优势等进化现象。他提出著名的"霍尔丹法则"：杂交后代不育或不能存活的性别通常是异配性别，这一法则在绝大多数动物中成立，至今仍是进化生物学重要规律。

霍尔丹是科学史上罕见的全才：1929年独立提出生命起源于"热稀释汤"的假说，与奥帕林假说并称奥帕林-霍尔丹假说；开创人类遗传学研究，最早计算人类基因突变率；提出"遗传负载"概念；提出辐射防护的"1西格玛"标准；甚至对宇航生理学有前瞻性思考。

霍尔丹是极具个性的公共人物，1942年至1950年为英国共产党党员，撰写数百篇科普文章和《可能的世界》《代达罗斯》等畅销书，是20世纪最优秀的科学作家之一。他以在自己身上做危险实验闻名，名言"宇宙不仅比我们想象的更奇怪，而且比我们能够想象的更奇怪"广为流传。

1957年因不满英国苏伊士运河政策，霍尔丹移居印度加入印度统计研究所，成为印度公民，推动印度生物统计学和遗传学发展。1964年12月1日因癌症在印度逝世，享年72岁。进化生物学家约翰·梅纳德·史密斯是他的学生。