Holger Butenschön promovierte bei Professor A. de Meijere 1983 und verbrachte als NATO-Stipendiat ein Jahr als Postdoc bei Professor K. Peter C. Vollhardt an der University of California in Berkeley.
1985 wechselte er zum Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim a.d. Ruhr. Nach seiner Habilitation war er Lehrbeauftragter an der Bergischen Universität-GH-Wuppertal und Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Seit 1993 ist Holger Butenschön Universitätsprofessor am Institut für Organische Chemie der Universität Hannover. Auslandsaufenthalte und Kooperationen mit der Kyushu University, Fukuoka, Japan (Foreign Visiting Professor), der University of Oklahoma , Norman (OK), USA (Karcher Lectureship) und der University of California at Berkeley (Visiting Professor) runden seine internationale Kompetenz ab.Ein Spezialgebiet pflegt Holger Butenschön besonders, nämlich die Lehre. Er ist Vorsitzender des Herausgebergremiums von CHEMKON.