Вадим Холоденко родился в 1986 году в Киеве. Окончил Киевскую специальную музыкальную школу имени Н. В. Лысенко, в 2010 году – Московскую государственную консерваторию имени П. И. Чайковского, в 2013 году – аспирантуру МГК (класс профессора Веры Горностаевой).
Лауреат Молодежной премии «Триумф». Лауреат международных конкурсов имени Ференца Листа в Будапеште (2001, III премия), имени Джины Бахауэр в Солт-Лейк-Сити (2006, III премия), имени Марии Канальс в Барселоне (2012, III премия) и других. Победитель международных конкурсов имени Марии Каллас в Афинах (2004, Гран-при), в Сендае (2010, I премия), имени Ф. Шуберта в Дортмунде (2011, I премия), Вэна Клайберна в Форт-Уорте (2013, Золотая медаль и Приз за лучшее исполнение камерного произведения). По окончании конкурса в США в течение трех лет был эксклюзивным артистом Симфонического оркестра Форт-Уорта, с которым исполнил все концерты Прокофьева и записал их для фирмы Harmonia mundi, а также дал ряд камерных концертов и совершил большой гастрольный тур по США, странам Европы и Азии. В 2020-21 он был «артистом в резиденции» Филармонического оркестра имени Тосканини (Парма). В сезоне 2021/22 – «артист в резиденции» Cимфонического оркестра Юго-Западного радио Германии (Штутгарт).
Пианист выступает с ведущими симфоническими коллективами Америки, Европы и Азии: Королевским филармоническим оркестром (Лондон), Шотландским и Уэльским симфоническими оркестрами Би-би-си, Королевским шотландским национальным оркестром, Борнмутским симфоническим, оркестрами Чешского и Норвежского радио, Радио и телевидения Испании, итальянского радио RAI (Турин), Национальным оркестром Аквитании (Бордо), Люксембургским и Копенгагенским филармоническими оркестрами, Национальными оркестрами Испании и Ирландии, Веймарской государственной капеллой, оркестрами Филадельфии, Атланты, Индианаполиса, Цинциннати, Рочестера, Сан-Диего, Малайзийским филармоническим, Сиднейским симфоническим, Японским филармоническим и Токийским столичным симфоническим оркестрами, оркестром Национального центра исполнительских искусств Китая.
Сотрудничает с известными дирижерами, в числе которых Валерий Гергиев, Владимир Федосеев, Юрий Башмет, Владимир Спиваков, Леонард Слаткин, Кирилл Карабиц, Луи Лангре, Мигель Харт-Бедойя, Теодор Курентзис, Александр Сладковский, Пол Дэниэл, Пинхас Цукерман, Ион Марин, Кадзуки Ямада, Кшиштоф Урбанский, Кристиан Мэчелару, Томас Сённергор, Лионель Бренгье, Чон Мён Хун (Мюнг-Вун Чунг).
Сольные концерты пианиста проходили в венском Концертхаусе, Уигмор-холле и зале Св. Луки в Лондоне, Академии имени Листа в Будапеште, Доме Французского радио в Париже, в крупнейших залах Нью-Йорка, Вашингтона, Бостона, Сингапура, Пекина, городов Японии, на фестивалях в Аспене, Люцерне, Шветцингене, Тулузе, Мерано, Ла-Рок-д’Антероне, имени Ф. Шопена в Варшаве. В 2014–2018 гг. музыкант проводил ежегодный фестиваль «ХХ век с Вадимом Холоденко» в Карельской государственной филармонии (Петрозаводск). В сезоне 2021/22 выступает с сольными концертами в Оксфорде, Риме, Венеции, Порту, Тулузе, Вашингтоне, Майами.
В числе партнеров пианиста по ансамблю – Вадим Репин, Клара-Джуми Кан, Алена Баева, Максим Рысанов, Андрей Гугнин, Enso Quartet, ансамбль Spectrum Concerts Berlin. В 2007 году Вадим Холоденко и Андрей Гугнин создали фортепианный дуэт iDuo, который стал обладателем II премии на конкурсе в Сан-Марино (2008). В 2010 году дуэтом был записан диск на фирме Delos.
В дискографии артиста – произведения Шуберта, Шопена, Дебюсси, Метнера, Рахманинова, вышеупомянутые все фортепианные концерты Прокофьева (а также отдельно 5-й концерт, записанный с оркестром Мариинского театра под управлением Валерия Гергиева), «Трансцендентные этюды» Листа и фрагменты из балета «Петрушка»
Стравинского и др. Альбом с концертами Грига и Сен-Санса (№ 2), записанный с оркестром Норвежского радио под управлением Мигеля Харта-Бедойи, был отмечен как «Выбор редактора» британского журнала Gramophone. Сольный диск с сочинениями Скрябина, выпущенный в июне 2018 года, получил премию Diapason d’Or de l’année. В сентябре 2019 года фирма «Мелодия» выпустила запись московского концерта учеников Веры Горностаевой (Лукаса Генюшаса, Вадима Холоденко и Андрея Гугнина). В 2020–2021 гг. пианист записал два новых альбома с музыкой Прокофьева (соната № 6 и «Мимолётности») и Чайковского (две фортепианные сонаты). В планах – запись произведений Шопена и Годовского.