Holmsen vokste opp i Christiania (Oslo) som den eldste av i alt 14 barn. I slekten var det flere var dyktige amatørmusikere. Karens begavelse viste seg tidlig, og hun fikk først pianoundervisning av Halfdan Kjerulf. Han ble imponert over sangstemmen og rådet henne til å satse på den. Men midt på 1800-tallet var rollen som kvinnelig sanger på en offentlig scene ikke noe lett valg. Familien flyttet i 1849 til Eidsvoll, og først etter morens død i 1854 kom Holmsen skikkelig i gang med sangutdannelsen, først hos Isak Berg i Stockholm, så i København og med Pierre-Francois Wartel i Paris.

31 år gammel debuterte Holmsen i Christiania til gode kritikker. Det ble blant annet skrevet at hun hadde en «ren skjøn, fyldig altstemme af ualmindeligt omfang». Holmsen var kjent for sitt store stemmemessige register som strakk seg fra dyp alt til sopran. I de videre studiene med Wartel og Pauline Viardot-Garcia i Baden-Baden ble denne allsidigheten videreutviklet.

Hun kom til å fylle de forskjelligste roller ved de store operahusene i Tyskland, Polen, Frankrike og Italia, og ble spesielt berømmet for sitt dramatiske talent. Hennes glansrolle var som Ortrud i Richard Wagners Lohengrin. Om innsatsen i Lohengrin skrev en anmelder: «Frøken Holmsen briljerte i den dæmonisk vilde Ortrud ikke alene ved sin mægtige, fænomenale Stemme, men fremstillede ogsaa med største Kraft denne fordærvede, fæle Kvinde. (…) Man troede at se en vred Norne.»

Hun sang med tidens store stjerne Christina Nilsson i Londons Crystal Palace og deltok i Leipzigs berømte Gewandhaus-konserter, foruten at hun holdt konsertturneer i Norge. Norge hadde ingen operahus å by på, men hun deltok i en rekke operaoppsetninger ved Christiania Theater og var mye på turné rundt om i landet. Den danske komponisten Asger Hammerik var så betatt av Holmsen at han skrev operaen Tovelille til henne (1863–1865).

Det skulle imidlertid vise seg å bli skjebnesvangert for stemmen å opptre i så mange forskjelligartede roller for så ulike stemmetyper. Utover i 1870-årene ble det tyngre for Holmsen å bevare stemmens smidighet, og da stemmen gradvis mistet fleksibiliteten hun var kjent for, gikk det nedover med engasjementene.

I 1875 hadde publikumet i Leipzig inntatt en reservert holdning til hennes liedersanger, samtidig som hun ble premiert for italienske operaarier. I 1874 var bergensanmelderne fra seg av begeistring ved en konsertserie i vestlandsbyen, mens fire år senere fikk hun kritikk for toneansatsen da hun kom tilbake og gav kirkekonsert, selv om hennes mektige altstemme og musikalske foredrag fortsatt ble berømmet.

I 1880 trakk Holmsen seg tilbake fra konsertlivet og giftet seg med godseieren på Ottarsrud ved Drøbak, Peter Ferdinand Fischer. Da han døde, flyttet hun utenlands, men kom tilbake og bodde i fødebyen de siste årene hun levde.

• sang
• opera

• Musikalische Wochenblatt, Leipzig 10.12.1875
• G. Jølsen: Slekten Holmsen. 300-års jubileum 1634–1934, 1934
• O. M. Sandvik: biografi i NBL1, bd. 6, 1934
• H. B. Kragemo: biografi i CML, bd. 3, 1979
• B. Qvamme: Musikkliv i Christiania. Fra Arilds tid til Arild Sandvold, 2000