Биографические сведения о Гольбейне скудны. Он родился между 1497–1498 годами в немецком городе Аугсбурге, в семье известного художника Ганса Гольбейна Старшего. Вместе со своим старшим братом Амброзиусом он с раннего детства получил прекрасную профессиональную подготовку в мастерской отца. Именно отец Гольбейн-Старший привил Гансу любовь к скрупулезной работе с натуры.
В 1515 году оба брата переехали в Базель, который стал для Ганса второй родиной. Первоначально молодые Гольбейны учились в мастерской художника Ганса Гербстера, вместе с тем они самостоятельно выполняли заказы.
Работая над оформлением книг для известного типографа Фробена, братья Гольбейн сблизились с гуманистами, посещавшими его дом. Таким образом Ганс Гольбейн оказался в ближайшем окружении великого гуманиста Эразма Роттердамского.
В 1515 году на полях одного экземпляра «Похвального слова Глупости» - знаменитой сатиры Эразма Роттердамского, Ганс Гольбейн сделал рисунки, не предназначенные для печати. Выполненные пером в миниатюрных размерах, они представляли собой жанровые сценки.Теперь трудно представить произведение великого гуманиста без ярких и острых рисунков Гольбейна-Младшего.
Первым влиятельным покровителем Ганса Гольбейна Младшего в Базеле был банкир Якоб Майер. Когда он в 1516 году был избран бургомистром Базеля, Гольбейн написал два превосходных портрета - Якоба Майера и его жены Доротеи Канненгиссер. Благодаря успеху этих портретов молодой художник получил многочисленные заказы не только в Базеле, и в других городах Швейцарского Союза.
В 1517–1518 годах художник побывал в городе Люцерне, а затем совершил поездку в Италию. В Милане Гансу удалось познакомиться с работами Леонардо да Винчи. Вернувшись в Базель, Ганс Гольбейн Младший женился, вступил в гильдию живописцев и имел многочисленные заказы.
Гольбейн создал портреты гуманистов, с которыми был связан дружбою и которым многим обязан в своем духовном развитии. Художник написал в 1523 году два портрета Эразма Роттердамского. Они исполнены большой простоты и ясности, на обоих портретах ученый изображен в профиль. Он полностью погружен в свои занятия; насмешливые морщинки разбегаются вокруг сжатых губ. Здесь мы видим Эразма за его излюбленной работой – сочинительством.
В созданных в те же годы произведениях на религиозные темы Гольбейн постепенно переходит от традиционной пышности к предельному лаконизму. В двадцатые годы продолжаются работы Гольбейна и в области монументальной живописи, но выполненные им росписи общественных зданий в Базеле, к сожалению, не сохранились.
Среди графических работ двадцатых годов выделяется серия миниатюрных гравюр, посвященных теме «Пляски смерти». То были бурные годы Реформации и Великой Крестьянской войны 1525 года, вслед за которой последовала ожесточенная реакция, нарушившая прежний покой города. В 1526 году, когда в Базеле искусство стало подвергаться гонениям, Гольбейн покинул город, уехав в Англию с рекомендательным письмом Эразма Роттердамского к Томасу Мору.
Когда в 1528 году Гольбейн вернулся в Базель, он нашел свою семью в бедственном положении. В великолепном по выразительности портрете его жены и двух детей (1528) их лица выглядят усталыми и грустными. Однако ему не суждено было остаться здесь надолго. В 1528—1529 гг. в городе развернулись события, сильно изменившие уклад жизни и условия работы для художника. Религиозные распри привели к низвержению католицизма; Базель стал протестантским городом. Прокатилась волна иконоборчества, из церквей были удалены и уничтожены произведения живописи и скульптуры.
Гольбейн оставался в Базеле до 1532 года. За это время он окончил роспись большого зала базельской ратуши, написал портрет своей жены с детьми (1528— 1529; Базель) и выполнил большую серию иллюстраций к Библии (91 гравюра на дереве, изданы в 1538 году). Эти явно протестантские по своей направленности иллюстрации представляют собой свободные от спиритуалистического оттенка бытовые сцены трезво морализирующего характера.
В 1532 году художник снова покидает семью и окончательно перебирается в Лондон. Его друзья были к тому времени в опале. Через два года Гольбейн стал свидетелем казни великого гуманиста Томаса Мора.
В это время Гольбейн достиг вершин своего мастерства. Теперь лучшие музеи мира украшают эти великолепные портреты кисти художника. В качестве придворного живописца Гольбейн по поручению короля совершал поездки во Францию и в Нидерланды. Он не знал недостатка в заказах. Наиболее ценное из того, что было создано в последние годы жизни Гольбейна, – это его портретные рисунки, еще более совершенные, нежели те, что он выполнял прежде. Богатейшая коллекция этих рисунков, хранящаяся в Виндзорском дворце, показывает Гольбейна как одного из лучших рисовальщиков в мировом искусстве.
В Англии Гольбейн пользовался покровительством короля Генриха VIII. Любопытный случай описывает в своей книге А.В. Лазарев: «Однажды некий знатный английский граф пожелал без приглашения посетить мастерскую художника. Гольбейн же работал и, не желая прерываться, отказал графу в этом удовольствии. Тот почувствовал себя весьма оскорбленным и решил ворваться в дом силой. Рассерженный такой неучтивостью, Гольбейн спустил его с лестницы. Когда граф явился к королю и потребовал, чтобы Гольбейна наказали как можно строже, желательно даже казнили, тот был чрезвычайно изумлен этой просьбой. – Что вы о себе возомнили, сэр? – хмуро поинтересовался Генрих VIII. – Я могу взять десяток мужиков и всех их превратить в графов. Но даже из десятка графов я не могу сделать живописца, подобного Гольбейну!»
Смерть застала художника в самом расцвете его таланта: он умер во время чумы поздней осенью 1543 года в Лондоне, так и не вернувшись на родину.