Hohlweg besuchte seit 1908 die Schule in Wien, wo er 1920 die Matura erhielt und anschließend Chemie an der TH Wien studierte. Nach seinem Abschluss als Dipl. Ing. techn. 1925 erlernte er als Mitarbeiter von Eugen Steinach (1861–1944) an der Biologischen Versuchsanstalt der Österreichischen Akademie der Wissenschaften die Methoden der Sexualendokrinologie, v. a. die Erforschung der Grundlagen der geschlechtsabhängigen Wirkung der Sexualhormone. Diese Ergebnisse nutzte er als Grundlage für seine Dissertation „Über die Isolierung eines Östrogens aus Butea superba und seine biologischen Wirkungen“ an der TH Wien, mit der er 1937 bei Steinach zum Dr. techn. promoviert wurde.

1928 hatte Steinach Hohlweg für das Hauptlabor der Firma Schering-Kahlbaum AG nach Berlin empfohlen, wo Hohlweg seit 1930 die Abteilung für Hormonforschung leitete. Hohlwegs Abteilung beschäftigte sich vornehmlich mit der Reindarstellung und Synthese von Sexualhormonen. Nachdem 1930 die Substanz Östrol aus dem Harn von Schwangeren isoliert worden war, gelang 1933 Hohlwegs Abteilung die Synthese von Östrogen, dessen orale Verwendung er in Kooperation mit der Frauenklinik der Charité unter Selmar Aschheim (1878–1965) erproben durfte. 1934 entdeckte Hohlweg, dass Östrogeninjektionen auf den Hypophysenvorderlappen wirken und zur Ausschüttung des Gelbkörperhormons führen, was heute als Hohlweg-Effekt bezeichnet wird

1938 gelang Hohlweg mit Adolf Butenandt (1903–1995) und Ulrich Westphal (1910–1993), mit denen die Schering AG zusammenarbeitete, die erstmalige Reindarstellung von Progesteron. Im selben Jahr stellte Hohlweg mit Hans H. Inhoffen (1906–1992) Estradiol, ein Östrogenderivat, her, das noch heute zu den Wirkstoffen von Kontrazeptiva gehört. 1939 erarbeiteten beide das als Pregneninolon bezeichnete Testosteronderivat, dessen Wirksamkeit an das des Progesterons heranreichte und das unter dem Produktnamen Proluton C als oral wirksames Corpus luteum-Hormon rasch klinische Anwendung fand. Hohlweg untersuchte auch die hormonellen Steuerungsmechanismen. In den 1930er Jahren wies er mit Karl Junkmann (1897–1976) experimentell nach, dass die Hormonproduktion durch Rückkopplung neuronal reguliert wird.

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs blieb Hohlweg als österreichischer Staatsbürger und Leiter des Laboratoriums der Frauenklinik der Charité im sowjetischen Teil Berlins. Seit 1951 Direktor und Professor des neuen Instituts für Experimentelle Endokrinologie an der Humboldt-Universität in Berlin-Ost arbeitete er unabhängig von den Patenten der Schering AG an einem Kontrazeptivum. Nachdem Schering 1961 eine empfängnisverhütende Pille auf den bundesdeutschen Markt gebracht hatte, bot der VEB Jenapharm 1965 mit Ovosiston in der DDR eine sog. Wunschkindpille an.

Nach dem Mauerbau 1961 verließ Hohlweg die DDR und arbeitete von 1962 bis 1973 an der Universitäts-Frauenklinik in Graz als Leiter eines für ihn eingerichteten Hormonlabors. Als ausgebildeter Chemiker arbeitete Hohlweg v. a. endokrinologisch und trug so zur Aufklärung der Funktion von weiblichen und männlichen Sexualhormonen bei. Er gilt neben Carl Djerassi (1923–2015) als Vater der Antibabypille.