Der Name Holzharlanden weist darauf hin, dass das Dorf eine Rodungssiedlung ist. Sie wurde in einem für den Ackerbau nutzbar gemachten Waldteil angelegt, überwiegend um Flachs und Hanf anzubauen.
In einer Urkunde aus dem Jahr 1163 wird Holzharlanden („Holtzerlanden“) erstmals schriftlich erwähnt. Ein Regensburger Bischof schenkt demnach eine Kapelle in Holzharlanden an das Kloster Weltenburg. Das Kloster erwarb in den folgenden Jahren zahlreiche Besitztümer in Holzharlanden und war Mitte des 14. Jahrhunderts größter Güterherr im Ort. Eine Urkunde aus dem Jahr 1406 bezeugt die rechtliche Zugehörigkeit „Holtzerrlandens“ zur Hofmark Weltenburg: alle Bewohner des Dorfes waren der Gerichtsbarkeit des Klosters unterstellt. Bis zur Säkularisation 1803 waren die Patres von Weltenburg für die Seelsorge in Holzharlanden zuständig.
Am 25. Juni 1818 erfolgte die Bildung der politischen Gemeinde Holzharlanden. Sie bestand damals aus 32 Familien und umfasste das Dorf Holzharlanden und die Einöde Buchhof. Die Einwohnerzahlen erfuhren in den letzten 200 Jahren keine gravierenden Sprünge: Während im 19. Jahrhundert in den 32 genannten Familien 116 Menschen lebten, zählt Holzharlanden seit 1912 175 bzw. 174 (2008) Bewohner.
Die Infrastruktur des Ortes erfuhr erst im 20. Jahrhundert gravierende Veränderungen: die Elektrifizierung des Dorfes war im Jahr 1928 für alle Bewohner erschwinglich und eine zentrale Wasserversorgung erfolgte erst in den 1960er Jahren.
Der Status der selbstständigen Gemeinde Holzharlanden endete im Jahr 1946, als der Ort der Gemeinde Weltenburg eingegliedert wurde. Diese Eingliederung dauerte allerdings nur bis ins Jahr 1948, weil Holzharlanden nach einer mehrheitlichen Abstimmung seine Selbstständigkeit zurückforderte. Bereits 1970 wurde allerdings eine erneute Eingemeindung beschlossen: da engere Beziehungen zu Abensberg als Kelheim bestanden, wurde Holzharlanden am 1. Januar 1972 der Stadt Abensberg angeschlossen.