Hans Holtedahl var professor i marin geologi ved Universitetet i Bergen og gjorde en pionerinnsats innen faget maringeologi og utforskningen av de kvartære avleiringene på bunnen av fjordene og på kontinentsokkelen. Som universitetslærer i Bergen bygde han opp et kvartærgeologisk fagmiljø som snart ble det ledende i landet, og han ble en pioner i utforskningen av det undersjøiske Norge. Tidspunket var betimelig – like før landet ble kastet ut i oljealderen og kontinentalsokkelen ble et toppaktuelt forskningsfelt.
Holtedahl vokste opp i Kristiania/Oslo, der hans far var professor i geologi ved universitetet. I sitt barndomshjem hadde han truffet størrelser som Fridtjof Nansen og W. C. Brøgger, og han ble tidlig med sin far på spennende geologiske ekspedisjoner. Med en slik bakgrunn var det naturlig at han valgte å bli naturforsker.
Etter examen artium ved Riis skole 1936 begynte Holtedahl å studere kjemi og zoologi ved Universitetet i Oslo. Høsten 1939 ble han med på en forskningsekspedisjon til Antarktis. Men da de var underveis hjem i april 1940, invaderte tyskerne Norge, og han tok seg til Le Havre og kom med den siste, overfylte fergen til Storbritannia. Her ble han del av en norsk feltenhet som ved slutten av krigen og i fredsmånedene 1945 kom til å gjøre en viktig innsats blant nordmenn og russiske krigsfanger i Finnmark.
Mens krigssituasjonen tillot det, fikk Holtedahl et halvt års permisjon for å studere geologi i Edinburgh under den fremtredende geologen Arthur Holmes. 1948 tok han cand.real.-eksamen ved Universitetet i Oslo, og 1957 tok han doktorgraden ved Universitetet i Bergen.
1949 ble Hans Holtedahl ansatt som konservator i geologi ved Geologisk institutt, Universitetet i Bergen, og her ble han livet ut, som dosent i kvartærgeologi fra 1960 og professor i samme fag fra 1967. 1956–57 var han gjesteforsker ved et ledende senter for marin geologi, Scripps Institution of Oceanography, University of California. I Bergen bygde han opp en studieretning i kvartærgeologi, som etter hvert fikk betydelige innslag av maringeologi. Våren 1964 ble han invitert til University of Urbana, USA, for å forelese i maringeologi, og da Norges første professorat i marin geologi ble opprettet i Bergen 1972, var det naturlig at han ble kalt til denne stillingen, som han hadde inntil 1984, da han ble seniorforsker.
I sitt doktorarbeid, On the Norwegian continental terrace, primarily outside Møre-Romsdal. Its geomorphology and sediments, kombinerer Hans Holtedahl resultater fra kvartærgeologisk feltarbeid på Møre-kysten med maringeologiske studier på sokkelen og Norskehavet. Han kastet seg deretter over studiet av de norske fjordene, som er ideelle feller for oppsamling av sedimenter. Ved studium av kjerneprøver kunne han vise at bunnsedimentene omfattet særlig lagdelte sedimenter (turbiditter), som hadde bevart informasjon om hendelser på land, undersjøiske skred og detaljer ved utviklingen av klima, dyr- og planteliv etter istiden. Hans arbeid The geology of the Hardangerfjord, West Norway fra 1975 er en klassiker innen faget. 1993 gav han ut Marine geology of the Norwegian continental margin, der han beskriver kontinentsokkelens yngste geologi og gir en historisk oversikt over utforskningen av det “undersjøiske Norge”. Ingen kunne berette denne historien som ham, som hele tiden hadde stått sentralt og som også gjennom egne opplevelser kunne trekke linjene langt bakover i tiden.
1952 ble Hans Holtedahl hedret med Norsk geologisk forenings Reusch-medalje, og 1965 vant han førstepremien i NRKs konkurranse om det beste populærvitenskapelige foredrag med vinnerbidraget Geologene og havbunnen.
Under studieoppholdet i Edinburgh møtte Hans Holtedahl filologistudenten Wendy Lowe, som han giftet seg med 1946 og fikk tre barn med. I Bergen var han var formann i Norsk-Britisk Forening 1959–61, Geologisk forening 1960–62 og Studentenes undervannsklubb 1962–64. Ellers var han redaksjonsmedlem i fagtidsskriftet Marine Geology fra 1964, preses i Selskapet til Vitenskapenes Fremme 1968–70 og medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi fra 1970.