Clemens Holzmeister naît le 27 mars 1886 dans le village de Fulpmes, dans le Tirol autrichien. En 1913, il épouse à Innsbruck Judith Bridarolli ; ils auront un fils, Guido, né en 1914, et une fille, Judith, née en 1920.
Après des études à la Technische Hochshule de Vienne, qu'il termine par un doctorat en architecture en 1919, il devient professeur à l'École professionnelle d'État (Staatsgewerbeschule) d'Innsbruck.
En 1924, ayant remporté un concours, il devient professeur à l'Académie des Beaux-Arts de Vienne (Akademie der bildenden Künste Wien), dont il dirige le département d'architecture.
À partir de 1927, il passa à l'invitation de Mehmet Hamadi Bey de nombreuses années à Ankara (Turquie), où il supervise la construction de bâtiments officiels.
Il est renvoyé de l'Académie lors de l'annexion de l'Autriche à l'Allemagne en 1938, et ses journaux et documents sont saisis ; Holzmeister se trouvait alors en Turquie, où il reste en exil jusqu'en 1954. Il divorce en 1939 et épouse Gunda Lexer, qui lui donnera une fille, Barbara.
Il enseigne de 1940 à 1949 à l'Université technique d'Istanbul, dont il sera fait docteur honoris causa en 1963. En 1947, il retourne à Ankara et vit dès lors entre l'Autriche et la Turquie ; il ne se réinstalle définitivement à Vienne qu'en 1954. De 1955 à 1957, il est recteur de l'Académie des Beaux-arts de Vienne.
Il reçoit le Grand Prix d'État d'Autriche (Großer Österreichischer Staatspreis) en juin 1953 et la Décoration autrichienne des sciences et des arts (Österreichisches Ehrenzeichen für Wissenschaft und Kunst) en 1957.
Il meurt en 1983, à l'âge de quatre-vingt-dix-sept ans, à Hallein, près de Salzbourg. Il est enterré au cimetière Saint-Pierre de Salzbourg.