Jens Holmboe var professor i botanikk ved Bergens Museum 1914–25 og deretter ved Universitetet i Oslo. Gjennom sitt vitenskapelige arbeid legitimerte han og hans kolleger ved Bergens Museum museets overgang til å bli Universitetet i Bergen.
Holmboe vokste opp i Trondheim, men da faren ble utnevnt til medisinaldirektør 1893, flyttet familien til Kristiania. Han tok examen artium ved Kristiania katedralskole 1898 og begynte samme år å studere botanikk ved universitetet i Kristiania. Allerede etter anneneksamen 1899 ble han konstituert som assistent og senere konservator ved Universitetets botaniske have og museum. 1902–06 var han assistent ved Botanisk hage på Tøyen.
1906 ble Holmboe ansatt som konservator ved Bergens Museum, den botaniske avdeling, fra 1914 som professor. 1907–17 var han dessuten museets direktør og redigerte Bergens Museums Årbok. Fra 1910 deltok han i arbeidet i det som senere ble den norsk-svenske reinbeitekommisjon (1913–17), og delvis på grunn av dette frasa han seg det byrdefulle arbeid som museumsdirektør. I tiden etter den første verdenskrig benyttet han seg bl.a. av de kaotiske økonomiske forhold i Tyskland til å anskaffe verdifullt utstillingsmateriale til museet, som vokste frem til å bli et botanisk publikumsmuseum, slik grunnleggeren Jørgen Brunchorst hadde tenkt seg. 1925 ble Holmboe professor i botanikk ved Universitetet i Oslo og samtidig bestyrer for Botanisk hage og Botanisk museum på Tøyen, stillinger han satt i til sin død 1943.
Holmboe redigerte Bergens Museums tidsskrift Naturen 1906–35. Også utenfor museet deltok han i folkeopplysningsarbeidet, bl.a. som formann i foreningen “Foredrag for hvermand” (Bergens folkeakademi). Han engasjerte seg i arbeidet med å etablere Foreningen for naturfredning i Norge 1918 og var frem til 1925 formann i Vestlandske kredsforening. Han medvirket bl.a. sterkt til at Vettisfossen i Årdal i Sogn ble fredet.
Allerede som ung student kom Homboe rett inn i et livlig og stridbart miljø, der meningene om den skandinaviske floraens utvikling var et brennende tema, først og fremst basert på Axel Blytts storslagne tankebygning og de mer realistiske motstrømningene – særlig fra svensk hold. Holmboes lærer, professor J. N. Wille, sognet til den “svenske” fløy, og dennes kritiske, konkretiserende forskning appellerte nok også mest til den unge Holmboe, som allerede 1898 debuterte som vitenskapelig forfatter. Hans arbeider, både da og senere, er preget av omhyggelig dokumentasjon og forsiktige konklusjoner, helt i tråd med hans omhyggelige og forsiktige, men velvillige karakter.
Norges planteverden, først og fremst dens utvikling siden siste istid, ble det feltet Holmboe arbeidet hele sitt liv, men i motsetning til foregående generasjon, som baserte sine konklusjoner på teoretiske konstruksjoner, gikk Holmboe i gang med å skaffe konkrete data. Men først ville han karakteristisk nok se hvordan planteverdenen opptrådte i et område som ikke hadde hatt en istid. Resultatet ble den monumentale Studies on the vegetation of Cyprus (1914), et arbeid som levde et stille, akademisk liv inntil Kypros-konflikten i 1960-årene gjorde all verdens militære staber interessert også i floraen. Da ble boken en bestselger.
Holmboe angrep det norske problemet fra tre kanter. For det første, mente han, utgjør myrene et historisk arkiv, der restene av fortidens planter finnes bevart. Hans Planterester i norske torvmyrer, som ble belønnet med Kronprinsens gullmedalje, er stadig det mest omfattende enkeltarbeid av denne art i norsk botanikk. Dette er nå et omfattende studiefelt, der nye metoder for det meste har bekreftet Holmboes resultater.
En annen måte å angripe problemet på, er å studere enkeltplanters utbredelse i detalj og derfra dedusere deres spesielle innvandrings- og etableringshistorie. 1913 publiserte Holmboe den første avhandlingen på dette området, om Kristtornen i Norge, etterfulgt av tilsvarende undersøkelser over bergflette, revebjelle, stor-ak (Cladium mariscus) og lodneføllblom (Leontodon hispidus). Etter at han kom til Oslo, satte han også studenter til å bearbeide østlandsplantene på samme måte. Ifølge Rolf Nordhagen viste han “hvor tvingende nødvendig det er å studere de enkelte plantearters utbredelse, livskraft og spredningsevne, og hvor farlig det er å operere med kollektive grupper”. Det samlede resultat var først og fremst at hver enkelt plantes historie er individuell. Noen kom tidlig, andre er nyinnvandret og har ikke nådd å kolonisere hele sitt mulige område. Holmboe fant at temperaturen er mye viktigere for utbredelsen enn fuktigheten, som hans forgjengere hadde lagt sterkest vekt på. Han utgav også en kortfattet oversikt over Norges plantegeografi.
En tredje måte var å detaljstudere plantenes utbredelse i felten. Allerede da Holmboe kom til Bergen, var interesserte amatører på egen hånd i gang med dette, og det ble utgitt arbeider over floraen i enkelte områder på Vestlandet, et arbeid som ble videreført også av hans etterfølgere. Det sammenfattende arbeid om Hordalands flora fikk han dessverre aldri fullført. Han knyttet i dette arbeidet til seg flere interesserte amatører, som har utført viktig arbeid i utforskningen av Vestlandets flora. I en særstilling står Johan Havaas, som drev lavforskning av internasjonal klasse.
Holmboe var historisk interessert og hadde planer om å behandle den botaniske utforskings historiske utvikling på Vestlandet. Den ble i stedet utgitt separat etter hans død. Derimot fikk han selv utgitt Martin Vahls referat av Linnés botaniske forelesninger. Viktigere er hans mønstergyldige bearbeidelse av planterestene i Osebergfunnet. Et par mindre arbeider om spesielle, gamle matplanter inkluderer en morsom avhandling om jordnøtten, der han viser at normanniske folkenavn med tydelighet indikerer at normannerne virkelig kom fra (Vest-)Norge.
Jens Holmboe var medlem av Videnskapsselskapet i Kristiania (nå Det Norske Videnskaps-Akademi) fra 1910 (formann i akademiets matematisk-naturvitenskapelige klasse 1934 og 1936), av Bergens naturvidenskapelige Selskap (nå Selskapet til Vitenskapenes Fremme) fra 1913 (formann i flere perioder) og av en rekke utenlandske vitenskapelige selskaper. Han var kommandør av den svenske Vasaorden og ridder av Nordstjärneorden.