Holdorf spilte først fotball og håndball i sin ungdom . Han fant bare friidrett ved en tilfeldighet da han vant det nasjonale mesterskapet i sprint 18 år gammel. Senere jobbet han som stavhopper og diskoskast. Gjennom resultatlistene over tiåret som han kunne nå, ble han oppfordret til å prøve dette også. Her var han tysk juniormester i alderen 19 og 20 år, og bare savnet de olympiske leker i Roma i 1960. I mellomtiden begynte han å studere ved Idrettsuniversitetet i Köln .
Etter at Willi Holdorf vant den tyske mesterskapet i 1961 og 1963 i tiårkampen og i 1962 på 200 meter hekk , oppnådde han sin største suksess ved OL i 1964 i Tokyo . I en spennende finale mot Rein Aun fra Sovjetunionen ble han den første tyskeren som vant OL-tikampen. I det siste løpet av 1500 meter fikk han maksimalt miste 18 sekunder til sin rival. Da han endelig krysset mållinjen 12 sekunder etter Aun, kollapset han utmattet og klarte bare å se frem til å vinne gullmedaljen en tid senere. Følgende oversikt viser balansen mellom de to utøverne. Det var den nærmeste avgjørelsen i en olympisk tikamp hittil. Den fjerdeplasserte amerikansk-amerikanske Paul Herman oppnådde bare 100 poeng mindre enn Holdorf.
disiplin
100 m
Langt
Kule
Høy
400 moh
hindringer
diskos
stang
spyd
1500 moh
Poeng
Holdorf
10,7 s
7,00 m
14,95 moh
1,84 m
48,2 s
15,2 s
46,05 m
4,20 m
57,37 m
4: 34,3 min
7887
Aun
10,9 s
7,22 m
13,82 moh
1,93 moh
48,8 s
15,9 s
44,19 moh
4,20 m
59,06 m
4: 22,3 min
7842
Hans største suksess, som ga ham tittelen Årets sportsmann i Tyskland i 1964 , var også hans siste tiårkamp på internasjonalt nivå. Han laget en annen i Leverkusen i 1969 med 7170 poeng. Willi Holdorf var 1,82 m høy og hadde en konkurransevekt på 90 kg som en kamper.
Statsminister Helmut Lemke (til høyre) hedrer deltakerne i Sommer-OL 1964 i Tokyo. l. Til høyre: Willi Holdorf, Kurt Jarasinski, Hans-Helmut Trense, Rudi Bortz, roerne i Ratzeburg-åtten, Bruno Splieth, Uwe Beyer, Lutz Philipp
Senere, i tillegg til sitt frivillige arbeid innen mange idrettsområder, jobbet han for en stor sportsvareprodusent siden 1970 og var medpartner i THW Kiel Handball-Bundesliga GmbH & Co. KG , som danner grunnlaget for håndball Bundesliga. klubben THW Kiel .
I sitt første ekteskap var Holdorf gift med håndballnasjonalspilleren Doris von Jutrzenka , deres sønn Dirk Holdorf ble en profesjonell fotballspiller. Holdorf var gift med Sabine Holdorf-Schust (* 1954) siden desember 2002. Fra april 2009 til januar 2013 var hun administrerende direktør i THW Kiel Handball-Bundesliga Verwaltungs GmbH.