Holdorf spielte in seiner Jugend zunächst Fußball und Handball. Er fand erst per Zufall zur Leichtathletik, als er als 18-Jähriger die Landesmeisterschaften im Sprint gewann. Später betätigte er sich noch als Stabhochspringer und Diskuswerfer. Durch die für ihn erreichbaren Ergebnislisten des Zehnkampfs wurde er angeregt, dies ebenfalls zu versuchen. Hier war er mit 19 und 20 Jahren Deutscher Juniorenmeister und verpasste die Olympischen Spiele in Rom 1960 nur knapp. Zwischenzeitlich begann er ein Studium an der Sporthochschule Köln.
Nachdem Willi Holdorf unter anderem 1961 und 1963 im Zehnkampf sowie 1962 über 200 Meter Hürden den Deutschen Meistertitel geholt hatte, gelang ihm 1964 bei den Olympischen Spielen in Tokio sein größter Erfolg. Er errang in einem spannenden Finale gegen Rein Aun aus der Sowjetunion als erster Deutscher den Olympiasieg im Zehnkampf. Beim abschließenden 1500-Meter-Lauf durfte er maximal 18 Sekunden auf seinen Rivalen verlieren. Als er schließlich 12 Sekunden nach Aun die Ziellinie überquerte, brach er entkräftet zusammen und konnte sich erst einige Zeit später über den Gewinn der Goldmedaille freuen. Die folgende Übersicht verdeutlicht die Ausgeglichenheit der beiden Athleten. Es war bis dato die engste Entscheidung in einem olympischen Zehnkampf. Der viertplatzierte US-Amerikaner Paul Herman errang lediglich 100 Punkte weniger als Holdorf.
Disziplin
100 m
Weit
Kugel
Hoch
400 m
Hürden
Diskus
Stab
Speer
1500 m
Punkte
Holdorf
10,7 s
7,00 m
14,95 m
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 m
1,93 m
48,8 s
15,9 s
44,19 m
4,20 m
59,06 m
4:22,3 min
7842
Holdorfs größter Erfolg, der ihm auch noch 1964 den Titel Sportler des Jahres in Deutschland einbrachte, war gleichzeitig sein letzter Zehnkampf auf internationaler Ebene. Einen weiteren machte er 1969 in Leverkusen mit 7170 Punkten. Willi Holdorf hatte bei einer Größe von 1,82 m als Zehnkämpfer ein Wettkampfgewicht von 90 kg.
Später war Holdorf neben seinen ehrenamtlichen Tätigkeiten in vielen Bereichen des Sports unter anderem seit 1970 für einen großen Sportartikelhersteller tätig und Mitgesellschafter der THW Kiel Handball-Bundesliga GmbH & Co. KG, die das Fundament für den Handball-BundesligistenTHW Kiel bildet.
In erster Ehe war Holdorf mit der Handball-Nationalspielerin Doris von Jutrzenka verheiratet, der gemeinsame Sohn Dirk Holdorf wurde Fußballprofi. Ab Dezember 2002 war Holdorf mit Sabine Holdorf-Schust (* 1954) verheiratet. Sie war von April 2009 bis Januar 2013 Geschäftsführerin der THW Kiel Handball-Bundesliga Verwaltungs GmbH.[2][3]
Karl Seeger: Willi Holdorf – König der Athleten. Bintz-Dohany, Offenbach am Main 1965.
Knut Teske: Da steht die Welt still. Der Zehnkämpfer Willi Holdorf und sein Olympia-Sieg 1964. Arete, Hildesheim 2014, ISBN 978-3-942468-43-5.
50 Jahre Goldjunge. In: Westdeutsche Allgemeine Zeitung, Ausgabe vom 18. Oktober 2014, Sport.
Karl-Heinz Keldungs: Willi Holdorf. In: ders.: Die deutsche Leichtathletik in 100 Porträts von Hanns Braun bis Malaika Mihambo. Arete Verlag Christian Becker, Hildesheim 2022, ISBN 978-3-96423-081-2, S. 78–80.