Buchholz studierte Medizin an der Universität Jena, der Albertus-Universität Königsberg, der Westfälische Wilhelms-Universität Münster, der Friedrich-Wilhelms-Universität Berlin und der Medizinischen Akademie Düsseldorf, an der er das Staatsexamen ablegte.
Er bildete sich in Innerer Medizin und Radiologie weiter und war sechs Jahre als Truppenarzt bei der Wehrmacht. 1946 kam er als Assistenzarzt in der Abteilung Chirurgie ins Hamburger Krankenhaus Heidberg. 1952 wurde er zum Chefarzt der II. Chirurgischen Abteilung des Allgemeinen Krankenhauses St. Georg berufen. Buchholz förderte den Einsatz der rückenmarksnahen Leitungsanästhesie und eröffnete in diesem Krankenhaus die erste Abteilung für Anästhesiologie in Hamburg. Den Aufbau der Unfallchirurgie in Hamburg hat Buchholz ganz wesentlich beeinflusst, das AO-Verfahren (Arbeitsgemeinschaft Osteosynthese) wurde von ihm in Hamburg eingeführt. Seine richtungweisende Tätigkeit auf diesem Gebiet führte ihn über die Probleme der Behandlung von medialen Schenkelhalsfrakturen zur Gelenkendoprothetik. Anfang der 60er Jahre entwickelte Buchholz nach Kontakt mit John Charnley die erste totale Hüftgelenksendoprothese in Deutschland. Sehr bald erkannte er die die Notwendigkeit einer Kniegelenksendoprothese, die unter seiner Leitung von seinem Oberarzt Eckart Engelbrecht entwickelt wurde. Es folgten weitere künstliche Gelenke wie das künstliche Schultergelenk, das künstliche Ellen- sowie das obere Sprunggelenk. Buchholz erkannte sehr frühzeitig die große Bedeutung des künstlichen Gelenkersatzes in der Medizin, insbesondere, nachdem die wesentlichen Materialprobleme der Pfanne und des Prothesenschaftes sowie des Knochenzementes gelöst waren.
Ende der 60er Jahre mischte er dem KnochenzementAntibiotika bei und verringerte so die Infektionsgefahr bei der Endoprothesenoperation. Von hervorragender Bedeutung war die Behandlung von Protheseninfektionen mit speziellen Antibiotika im Knochenzement, die Buchholz als Erster beschrieb. Er gilt somit als der Pionier der Gelenkersatzchirurgie in Deutschland.
1971 verlieh ihm der Hamburger Senat den Professorentitel. 1975 erhielt er den medizinischen Ehrendoktortitel der Universität Hamburg. Über viele Jahre leitete Buchholz die Sitzungen der Hamburger Gesellschaft für Unfallheilkunde. 1976 war er Vorsitzender der 118. Tagung der Vereinigung Nordwestdeutscher Chirurgen in Hamburg.
1975 wurde Buchholz pensioniert und gründete noch im selben Jahr die ENDO-Klinik in Hamburg. Sie bestand aus einer Akutklinik in Hamburg-Altona und einer Rehabilitations-Abteilung in Wintermoor in der Nordheide. Dort wurden die septischenEndoprothesen operiert. Fast 20 Jahre leitete Buchholz die ENDO-Klinik und war ebenso lange Vorsitzender des gemeinnützigen Vereins Endoklinik.
Mehr als 100 wissenschaftliche Veröffentlichungen und eine weitaus größere Zahl von Vorträgen spiegeln das große Engagement und die reiche Schaffenskraft von Hans-Wilhelm Buchholz wider. Seine Knieendoprothese bewährte sich nicht.